Общие принципы построения систем автоматики


СОДЕРЖАНИЕ:

АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ

ТЕМА 2. Общие принципы построения систем автоматического управления

2.1. Общая характеристика систем управления

Управлением технологическим процессом называется воздействие на этот процесс с целью обеспечения оптимального или заданного режима его работы. Для осуществления управления технологическим процессом необходимо получать своевременную информацию, содержащую текущее значение технологических параметров, с помощью средств сбора информации. Стабильность технологического процесса как объекта управления характеризуется совокупностью определенных значений параметров, таких, например, как температура, давление, уровни в аппаратах, качество промежуточного и готового продукта. Качество продукции – это совокупность ее свойств, обусловливающих ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с ее назначением.

Отклонение параметров от заданного режима происходит в результате нанесения возмущающих воздействий , к которым относятся изменение окружающих условий, изменение расхода сырья и энергии и другие внешние факторы, влияющие на технологический процесс. Измерение текущих значений параметров осуществляется с помощью первичных преобразователей (датчиков), которые в общем случае состоят из чувствительного элемента, преобразовательного устройства и усилителя.

Полученная информация о процессе передается для переработки на логические устройства или устройства вычислительной техники, которые на основе полученной информации и алгоритма управления принимают решение о воздействии на процесс с целью управления им.

Алгоритмом называется всякое точное предписание, выраженное математически или графически, которое задает вычислительный процесс, начинающийся с произвольного исходного данного или направленный на получение полностью определяемого результата. Алгоритм должен обладать определенностью, т.е. формализованностью и доступностью для восприятия; массовостью, т.е. пригодностью его для решения различных задач одного класса, и результативностью, т.е. способностью обеспечивать искомый результат после выполнения соответствующих операций.

Алгоритмом управления называется совокупность предписаний, определяющих характер и последовательность управляющих воздействий на процесс, являющийся объектом управления, с целью обеспечения заданного или оптимального режима его работы.

Переработанная информация о процессе поступает на устройства для ее использования (исполнительные устройства), осуществляющие непосредственное воздействие на управляемый объект. К ним относятся автоматические регуляторы, исполнительные механизмы, регулирующие органы. Управляющие воздействия осуществляют изменение материальных и энергетических потоков технологического процесса в соответствии с разработанными алгоритмами управления и требованиями производства.

При управлении технологическими процессами пищевых производств особое внимание следует уделять управлению качеством продукта при его производстве, осуществляемому путем систематического контроля качества и целенаправленного воздействия на условия и факторы, влияющие на качество.

Всякая система автоматического управления состоит из объекта управления и автоматического управляющего устройства.

Автоматическим управляющим устройством называется устройство или совокупность устройств, реализующих алгоритм управления и осуществляющих соответствующие воздействия на управляемый объект без непосредственного участия человека.

Состояние технологического процесса как объекта управления характеризуется выходной величиной у , называемой в процессе управления управляемой координатой. Примером может служить управление технологическим процессом варочного отделения пивоваренного завода, где в качестве управляемой координаты может быть принята плотность сусла на выходе из отделения. В тех случаях, когда состояние объекта управления определяется несколькими выходными величинами, некоррелированными или малокоррелированными между собой, объект управления называется многомерным.

При синтезе систем автоматического управления пищевых производств в качестве выходной величины может быть выбран как физический параметр на выходе объекта, так и такие величины, как, например, производительность цеха или отделения завода, или уменьшение потерь сырьевых материалов при переработке.

На объект управления воздействуют входные величины – это возмущающее воздействие z ( t ) , которое стремится вывести управляемый параметр из состояния равновесия, и управляющее воздействие u ( t ) , которое вырабатывается в автоматическом управляющем устройстве, реализующем алгоритм управления, и воздействует на объект управления, обеспечивая оптимальный или заданный режим его работы в соответствии с задающим значением . Для рассматриваемого одномерного объекта зависимость выходной управляемой величины « у » от всех видов входных воздействий (возмущающего z ( t ) , задающего и управляющего u ( t ) ) в общем случае можно выразить при помощи некоторого оператора :

Оператором называется совокупность математических и логических действий, в результате которых по заданной функции определяется последующая функция. Таким образом, оператор обозначает в рассматриваемом примере совокупность математических операций, выполняемых в заданной (предписанной) последовательности и обеспечивающих нахождение функции y ( t ) по функциям входных воздействий.

В реальном случае при разработке систем автоматического управления первоочередной задачей является определение алгоритма управления, на основании которого формируется управляющее воздействие u ( t ) в зависимости от текущего состояния объекта управления y ( t ) и возмущающего воздействия z ( t ) с учетом заданного режима его работы .

Алгоритм управления для одномерного объекта будет иметь вид:

Совокупность алгоритма управления и алгоритма функционирования объекта образует алгоритм функционирования системы управления.

2.2. Функциональная, конструктивная и алгоритмическая структура систем автоматического управления

Функциональная структура системы управления отражает функциональное назначение отдельных элементов и блоков и информационные связи между ними. В последнем случае автоматическое управляющее устройство может быть реализовано в различных вариантах: на автоматических регуляторах, на логических машинах, на устройствах вычислительной техники. Назначение автоматических управляющих устройств – это переработка полученной информации о процессе и выработка управляющих воздействий.

Информация о технологическом процессе поступает в автоматическое управляющее устройство с первичных преобразователей (датчиков технологических параметров). Переработанная информация поступает на пульт управления для ее учета оператором. Выработанные на основании переработанной информации управляющие воздействия с АУУ поступают на исполнительные механизмы и регулирующие органы, которые осуществляют непосредственный подвод или отвод энергии или вещества к объекту управления с целью регулирования его параметров. Срабатывание регулирующих органов может осуществляться от управляющего воздействия АУУ или от исполнительных механизмов.

Управляющее воздействие на исполнительные органы является сигналом внешней команды, поступающим по тем или иным причинам от оператора с пульта управления, и, как правило, направляется через АУУ.

В реальном случае управления технологическими процессами пищевых производств внешнее управление отдельными операциями с пульта неизбежно по причине трудности контроля качественных параметров готовых и промежуточных продуктов и отсутствия средств их автоматического контроля. Поэтому результаты лабораторного анализа и анализа экспресс-методами поступают к оператору технологического процесса, который в зависимости от результатов принимает решения о целесообразном воздействии на процесс.

Конструктивная структура системы автоматического управления определяет конструктивное исполнение отдельных узлов и блоков системы и их взаимное расположение. К конструктивной структуре системы управления относятся вопросы выбора датчиков, регулирующих органов, щитов и пультов управления, оснащенных мнемосхемами, вторичными приборами и сигнальной арматурой, и вопросы выбора собственно автоматической системы управления.

Алгоритмическая структура характеризует отдельные задачи, решаемые системой автоматического управления, и порядок их выполнения. Элементарные алгоритмические звенья преобразования информации на разных этапах функционирования системы соответствуют какой-либо одной математической или логической операции. Совокупность всех звеньев, входящих в систему, составляет алгоритм функционирования системы. Каждому алгоритмическому звену соответствует оператор преобразования сигналов. Допускается при записи вместо операторов приводить графики зависимости выходной величины от входной. Условно все звенья подразделяются на пять типов: арифметические, логические, формирующие, статические и динамические.

Сигналы преобразования информации могут быть пневматическими, электрическими, механическими, магнитными и т.д., в зависимости от технической структуры системы автоматического управления. Звенья могут быть выполнены на контактных или бесконтактных элементах.

Арифметическое звено реализует одну из арифметических операций – сложение, вычитание, умножение, деление двух или нескольких сигналов и называется узлом сравнения или суммирующим звеном.

Логическое звено предназначено для выполнения одной из логических операций «И», «ИЛИ», «НЕ», где звено, выполняющее логическую операцию отрицания, называется инверсным, звено логического умножения «И» соответствует последовательному соединению элементов, звено логического сложения «ИЛИ» соответствует параллельному соединению элементов.

Формирующее звено осуществляет преобразование (замену) входного сигнала. Примерами формирующего звена могут служить различные преобразующие элементы. Наиболее широко в системах автоматического управления используется формирующее импульсное звено, преобразующее непрерывный входной сигнал в дискретный.

Статическое звено алгоритмической структуры отражает зависимость выходной величины от мгновенного значения входной величины независимо от ее изменения во времени и описывается алгебраической функцией. Примерами статических звеньев являются линейные и нелинейные элементы: электронная усилительная лампа, рычажное соединение и др.

Динамическим звеном системы автоматического управления называется ее элемент, обладающий определенными свойствами. Другими словами, динамическое звено характеризует зависимость выходной величины от входной во времени. Динамические звенья описываются обыкновенными дифференциальными уравнениями и подразделяются на следующие виды:

а) интегрирующее звено , в котором выходная величина пропорциональна интегралу входной величины x

где x – входная величина; y – выходная величина; k – коэффициент усиления звена.

б) апериодическое или инерционное звено первого порядка можно охарактеризовать как одноемкостное звено, которое при скачкообразном изменении входной величины x изменяет выходную величину y по экспоненциальному закону. Апериодическое звено описывается уравнением

где Т — постоянная времени;

в) колебательное звено , которое представляет собой соединение двух емкостей и описывается уравнением

где – постоянные времени;

г) дифференцирующее звено , в котором выходная величина y пропорциональна дифференциалу входной величины x . Идеальное дифференцирующее звено описывается уравнением

В реальном случае в дифференцирующем звено характеризуется инерционностью. Поэтому уравнение реального дифференцирующего звена принимает вид

д) звено временной задержки или, как его называют , звено чистого запаздывания характеризует задержку во времени выходной величины y при не изменяющемся по величине значении входного сигнала x . Звено временной задержки можно записать в следующем виде:

где τ – время задержки выходного сигнала или время чистого запаздывания звена.

Звенья временной задержки в системах автоматического управления технологическими процессами играют немаловажную роль. Они могут быть реализованы на базе использования различных технических средств автоматизации и, как правило, выделяются в самостоятельные блоки системы. Примером может служить управление технологическими процессами варочного отделения пивоваренного завода, где необходимо управлять выдержкой затора при разных температурных паузах.

Контрольные вопросы по теме

Что называется управлением технологическим процессом?

Что входит в понятие алгоритм?

Что называется алгоритмом управления?

Что называется управляемой координатой y ?

Как строится алгоритм функционирования системы управления?

Что отражает функциональная структура системы управления?

Что определяет конструктивную структуру системы управления?

Что входит в понятие алгоритмической структуры системы управления?

Какие элементарные алгоритмические звенья преобразования информации существуют?

Какие дифференциальные уравнения динамических звеньев системы управления: интегрирующего, апериодического, колебательного, дифференцирующего, звена чистого запаздывания Вы знаете?

Из предложенных Вам вариантов ответов выберите правильный.

Какая структура системы управления отражает вопросы выбора щитов и пультов управления?

Какое звено осуществляет преобразование входного сигнала?

Примером какого звена является рычажное соединение?

Примером какого звена является управление выдержкой затора при разных температурах?

в) звена чистого запаздывания.

На каких элементах могут быть выполнены звенья?

ТЕМА 3. Классификация систем автоматического управления техническими системами

Системы автоматического управления классифицируются по признакам, характеризующим свойства объектов управления, и по принципам, определяющим назначение, функции и характер действия системы автоматического управления (САУ).

Другим классификационным признаком технологического процесса как объекта управления является количество выходных координат, которыми необходимо управлять.

3.1. Классификация систем управления

по информационным функциям

1. Автоматические системы децентрализованного контроля и управления , в которых наблюдение за ходом технологического процесса и выполнение отдельных операций управления осуществляется с местного щита управления.

Технологический процесс производства какого-либо продукта, рассматриваемый в качестве объекта управления, в соответствии с направлением материальных и энергетических потоков разбит на отдельные участки, сформированные в цеха или отделения. При разработке систем децентрализованного контроля и управления процессом для каждого такого участка предусмотрена обособленная система управления, не связанная функционально с системами управления другими цехами и отделениями.

2. Системы централизованного контроля с передачей информации о процессе в центральный пункт управления (ЦПУ). При разработке этого типа систем управления вся информация о технологическом процессе от начала производства до получения конечной продукции направляется в единую систему централизованного контроля и управления, где она обрабатывается, после чего формируются управляющие воздействия.

3. Автоматизированные системы управления технологическим процессом (АСУ ТП), которые в зависимости от выполняемых ими информационных функций могут решать задачи вычисления технико-экономических показателей производства, задачи сбора, первичной обработки и передачи информации, задачи анализа, обобщения информации о процессе и прогнозирования протекания технологического процесса.

АСУ – человеко-машинная система, обеспечивающая автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для оптимизации управления в различных сферах человеческой деятельности.

АСУ ТП – АСУ для выработки и реализации управляющих воздействий на технологический объект управления в соответствии с выбранным критерием управления.

К внешним функциям АСУ ТП относятся функции контроля за текущим состоянием объекта и функции управления, которые включают в себя определение управляющих воздействий и их реализацию.

Внутренние функции АСУ ТП охватывают:

организацию связи с другими системами управления, в частности с АСУ предприятия и с другими АСУ ТП;

контроль за правильностью функционирования системы;

организацию обслуживания очередей заявок на решение задач управления на ЦВМ;

распределение загрузки отдельных узлов и блоков системы управления;

слежение за временем и отсчет временных интервалов.

Каждая АСУ ТП реализует только те функции, которые актуальны для конкретного объекта управления.

3.2. Классификация систем управления в зависимости от характера изменения задающего воздействия

1. Системы стабилизации , обеспечивающие поддержание управляемой выходной величины постоянной. Алгоритм функционирования такой системы имеет вид

без учета возможной погрешности управляющего воздействия, где – задающее воздействие; u ( t ) – управляющее воздействие

2. Программные системы управления , алгоритм функционирования которых имеет предписание изменять выходную управляемую величину по определенному закону, в соответствии с известной заданной функцией времени :

3. Следящие системы управления , используемые для дистанционной передачи показаний, характеризующиеся тем, что на выходе системы воспроизводится в определенном соотношении (масштабе) входная величина, изменяющаяся по произвольному закону. Алгоритм функционирования следящей системы может быть записан следующим образом:

где k – масштабный коэффициент; – неизвестная функция времени, функция слежения.

3.3. Классификация систем управления в зависимости от конфигурации цепи управляющего воздействия

1. Разомкнутые системы по отношению к управляемой выходной величине, в которых отсутствует непосредственная связь управляемой величины с автоматическим управляющим устройством (АУУ). В таких системах чувствительный элемент (датчик) устанавливается на линии нанесения возмущения на объект управления (ОУ). Алгоритм управления такой системы имеет вид

или в упрощенном виде

где – оператор общих входных воздействий; — соответственно операторы задающего и возмущающего воздействий.

2. Замкнутые системы управления , или системы по отклонению , в которых сигнал с входа объекта управления поступает на вход автоматического управляющего устройства, откуда подается на вход объекта со знаком минус, что свидетельствует о наличии в таких системах обратной связи. Управляющее воздействие в замкнутой системе формируется в зависимости от величины и знака отклонения выходного значения управляемой величины x ( t ) от заданного значения

где — сигнал рассогласования системы, или сигнал отклонения.

3. Комбинированные системы управления , которые создают две цепи управляющего воздействия – по отношению и по возмущению. Алгоритм управления таких систем имеет вид

Open Library — открытая библиотека учебной информации

Открытая библиотека для школьников и студентов. Лекции, конспекты и учебные материалы по всем научным направлениям.

Категории

Производство Основные принципы построения локальных систем автоматического регулирования

Особенности систем управления технологическими процессами

Классификация технических средств автоматизации по элементной базе

Режимы работы двухуровневой системы автоматизации

Двухуровневая система автоматизации может работать в трех режимах

1. Режим советчика – оператор изменяет задание автоматических регуляторов, исходя из оптимальных значений, которые предлагает ЭВМ.

2. Режим супервизора – перенастройка сигналов управления производится ЭВМ через соответствующие устройства сопряжения.

3. Режим непрерывного цифрового управления – ЭВМ рассчитывает управляющие воздействия и передает через устройства сопряжения непосредственно на исполнительные механизмы, минуя промежуточные регуляторы. Для этого режима требуются ЭВМ, способные работать в жестких производственных условиях.

Учитывая зависимость отиспользуемых устройств технические средств автоматизации подразделяются на электрические, пневматические и гидравлические.

Наибольшее распространение в практике автоматизации технологических процессов получили электрические средства автоматизации, что объясняется большим разнообразием имеющейся аппаратуры. В условиях взрывоопасных производств используются пневматические средства автоматизации. Гидравлические средства автоматизации отличаются громоздкостью и трудностью передачи гидравлических командных импульсов на большие расстояния, в связи с этим такие средства автоматизации получили небольшое распространение.

Часто встречаются комбинированные средства автоматизации: электропневматические, электропневмогидравлические, пневмогидравлические и электрогидравлические.

Всякий технологический процесс характеризуется определœенными физическими величинами или параметрами.

При автоматическом регулировании решаются, как правило, задачи трех типов.

Первый тип задач – поддержание технологических параметров на заданном уровне. Автоматические системы регулирования, решающие задачи такого типа, называют системами стабилизации. Примерами систем стабилизации могут служить системы регулирования температуры и влажности воздуха в установках кондиционирования воздуха, давления и температуры перегретого пара в котлоагрегатах, числа оборотов в паровых и газовых турбинах.

Второй тип задач – поддержание соответствия между двумя зависимыми или одной зависимой и другими независимыми величинами. Системы, регулирующие соотношения, получили название следящих автоматических систем, к примеру автоматические системы регулирования соотношения «топливо – воздух» в процессе сжигания топлива или соотношения «расход пара – расход воды» при питании котлов водой.

Третий тип задач – изменение регулируемой величины во времени по определœенному закону. Системы, решающие данный тип задач, называют системами программного регулирования. Характерным примером такого типа систем является система регулирования температуры при термической обработке металла.

Максимальный положительный эффект функционирования технологического объекта при минимальных затратах сырья, энергии и т.п. обеспечивают экстремальные (поисковые) автоматические системы, которые получили широкое распространение в последние годы.

Система автоматического регулирования (САР) – совокупность технических средств, с помощью которых одну или несколько регулируемых величин без участия оператора приводят в соответствие с их заданными значениями, путем выработки воздействия на регулируемые величины в результате сравнения их действительных значений с заданными.

В общем случае в состав простейшей САР должны входить следующие элементы:

объект регулирования (ОР), характеризующийся регулируемой величиной х;

измерительное устройство (ИУ), измеряющее регулируемую величину и преобразующее ее в форму, удобную для дистанционной передачи;

задающее устройство (ЗУ), из которого поступает сигнал g(t) определяющий заданное значение или закон изменения регулируемой величины;

суммирующее устройство (СУ), в котором действительное значение регулируемой величины х сравнивается с предписанным ее значением g(t) и выявляется отклонение e = g(t) – x;

регулирующее устройство (РУ), вырабатывающее при поступлении на его вход отклонения e регулирующее воздействие, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ крайне важно подать на объект регулирования, чтобы устранить имеющееся отклонение регулируемой величины х от предписанного значения g(t);

исполнительный механизм (ИМ). Регулирующее устройство в общем случае является сложным функциональным элементом, формирующим закон регулирования и обеспечивающим возможно быстрое восстановление предписанного значения регулируемой величины. При этом учитываются характер отклонения, его значение, скорость нарастания отклонения и т.п. Для увеличения быстродействия в РУ при формировании закона регулирования используют маломощные сигналы. Соответственно на выходе РУ регулирующее воздействие имеет небольшую мощность и, кроме того, выдается в форме не пригодной в общем случае для непосредственного воздействия на объект регулирования. Для усиления регулирующего воздействия и преобразования его и форму xр, пригодную для воздействия на объект регулирования, применяют специальные исполнительные механизмы, являющиеся исполнительными выходными устройствами регулирующего элемента͵ формирующего закон регулирования;

регулирующий орган (РО). Исполнительные механизмы выпускаются промышленностью унифицированными. Из-за много разнообразия объектов регулирования в большинстве случаев исполнительный механизм не может непосредственно воздействовать на регулируемую величину. По этой причине объекты регулирования снабжают специальными регулирующими органами РО, через которые ИМ воздействует на регулируемую величину;

линии связи, через которые сигналы передаются от элемента к элементу в автоматической системе. В качестве линий связи для передачи электрических сигналов в автоматических системах управления технологическими процессами используют электрические кабели, передача пневматических и гидравлических сигналов осуществляется через медные, стальные или пластмассовые трубопроводы с внутренним диаметром 4 ÷ 20 мм.

Читайте также

Особенности систем управления технологическими процессами Классификация технических средств автоматизации по элементной базе Режимы работы двухуровневой системы автоматизации Двухуровневая система. [читать подробенее]

Всякий технологический процесс характеризуется определенными физическими величинами или параметрами. При автоматическом регулировании решаются, как правило, задачи трех типов. Первый тип задач – поддержание технологических параметров на заданном уровне. [читать подробенее]

Автоматическая система управления — это что такое? Технологическое обслуживание, принципы и функции

Избавление производственных и функциональных процессов от непосредственного участия человека позволило сократить затраты на обслуживание управляемого объекта и в некоторых областях улучшить качество выпускаемого продукта. Несмотря на активное развитие электроники, многие системы пока еще остаются зависимыми от операторов, что обуславливается также и сложностями внедрения новых моделей производственного контроля. На сегодняшний день автоматическая система управления – это одна из самых перспективных форм осуществления производственной деятельности, которая, впрочем, ставит перед пользователями и новые технологические задачи.

Теория и принципы автоматизации

Изначально концепция автоматического управления развивалась как один из разделов технической механики. В частности, специалисты в этом направлении разрабатывали принципы управления электрическими машинами и паровыми котлами, но не выходя за рамки электротехники. По мере своего развития теория систем автоматического управления стала определять функциональные органы рабочей структуры в качестве полноценных объектов, влияющих на производственный процесс. Таким образом была выявлена целая общность взаимосвязанных процессов управления, заключенных в одну динамическую модель. На современном этапе развития теоретики автоматических систем изучают принципы их построения, а также закономерности процессов, протекающих внутри готовых моделей. На качество работы, точность и гибкость в плане адаптации систем оказывают влияние такие факторы, как условия работы, назначение устройства, конструкционные особенности и т. д.

Построение систем автоматизации

В процессе разработки управляющих систем на базе автоматики центральное место отводится созданию алгоритма функциональной структуры. На первом этапе построения собираются необходимые исходные данные, среди которых свойства управляемого объекта, задачи управления, характер внешних воздействий, требования к точности контроля и т. д.

Далее прорабатываются технико-эксплуатационные качества контроллера управления автоматическими системами. Устройство этой части как центрального функционального органа напоминает технический исполнительный механизм, который будет сообщать команды управляемому объекту. На данной инфраструктуре замыкается цепь рабочих элементов системы, свойства которой определяются один раз вначале и могут менять отдельные значения также в заданных диапазонах. На этом и основывается принцип неизменяемой структуры системы управления. Она остается неизменной в том смысле, что ее характеристики устанавливаются до непосредственного построения управляющего алгоритма.

Компенсирующий эффект в системах автоматизации

Принцип компенсации закладывается в алгоритм системы управления в целях повышения точности контроля и сокращения вероятности ошибок. Необходимость реализации компенсирующих контуров в алгоритме связана с несовершенством прямого автоматического контроля. Например, в процессе подачи сигналов оператор может регулярно менять конфигурацию действующих команд в соответствии с учетом мельчайших воздействий на систему. Автоматика, в свою очередь, просчитывает лишь ограниченные наборы условий и текущие свойства объекта.

Как же строится работа системы автоматического управления с эффектом компенсации? Возможные отклонения регулируемой величины от требуемых значений нивелируются путем воздействия через обратную связь. Специально для выполнения подобных корректировок управляющие контуры дополняются вспомогательными командными линиями, которые в постоянном режиме стабилизируют динамические свойства системы. На этих принципах работают многоконтурные системы с многосвязным управлением или одновременной регулировкой нескольких параметров целевого объекта.

Классификации автоматического управления

Управляющие системы этого типа в основном различаются по целям контроля, способу передачи команд и видам контурной связи. Изначально ставились задачи поддержки определенных законов измерения. В этой группе можно выделить системы программного управления, следящие устройства и другие механизмы, функционирующие строго по определенным параметрам. Сегодня же, по мере развития интеллектуальных принципов контроля, усложнились и задачи автоматических систем управления – это может быть целый комплекс задач, для решения которых используются не только заложенные оператором данные, но и динамические показания, выведенные по алгоритмам с применением и значений от сопряженного измерительного оборудования.

По способам трансляции команд и управления в целом выделяют самонастраивающиеся, самоорганизующиеся и самообучаемые системы. Непосредственно взаимодействие между компонентами управляющего устройства может базироваться на аналоговых контурах и современных беспроводных модулях.

Простые и сложные системы автоматизации

Разница между методами реализации алгоритмов управления позволяет обозначить принципиальные отличия в существующих системах автоматики. В качестве простейшего примера можно привести регулятор частоты вращения электродвигателя. Управляющим объектом выступает центробежный регулятор, управляемым – сам двигатель, а регулирующее воздействие осуществляется через настройку позиции дроссельной заслонки. И ключевая задача управления, и принцип ее реализации достигаются путем простейшего действия в процессе контроля вала вращения, связанного с маховым механизмом.

Структурная схема управления сложными системами требует в ходе разработки не только учета теоретических методов вычисления, но и подключения принципов моделирования. Могут задействоваться цифровые вычислительные машины, которые позволят просчитать автоматические системы управления процессами разного порядка. Кроме прямых эксплуатационных показателей в таких конфигурациях учитываются и косвенные факторы влияния наподобие нелинейности координат. Для сложных систем важны принципы гибкого динамического управления и обеспечение чувствительности контуров взаимодействия подсистем.

Функциональные задачи

В результате анализа целей управления формируется набор конкретных технологических функций, которые могут быть представлены в виде отдельных задач или комплекса операций. В общем виде элементы функционального действия основываются на следующих задачах:

  • Прогнозирование и планирование.
  • Контроль, учет и анализ.
  • Регуляция и координация.

На низших структурных звеньях реализуется точечный функционал автоматической системы управления – это операции формирования конкретных воздействий на подконтрольный объект. В частности, задачи обработки информации могут быть представлены хранением, поиском, отображением и преобразованием данных.

Техническое обеспечение автоматического управления

Хотя главной целью построения автоматических контроллеров является управляющий функционал, даже простейшие системы в обязательном порядке включают средства измерения и учета. От информационных датчиков, вычислительных машин и сенсоров на контроллеры поступают рабочие данные. Это показатели, на основе которых микропроцессоры, в частности, дают команды исполнительным механизмам. Например, автоматическое управление техническими системами на физическом уровне может реализовываться через электромагнитные устройства с элементами запорной арматуры. Более широкий охват имеют электродвигательные исполнительные средства, контролирующие работу оборудования, агрегатов и различной техники.

Техобслуживание автоматики

Поддержка исправного или работоспособного состояния элементов управляющего комплекса невозможна без проведения своевременного технического обслуживания. Это набор профилактических и ремонтных мер, который утверждается разработчиком системы или главным инженером на эксплуатирующем предприятии. В большинстве случаев техническое обслуживание систем автоматического управления предполагает выполнение следующих мероприятий:

  • Проверка внешнего состояния аппаратуры и механических агрегатов.
  • Чистка оборудования без вскрытия и монтажа.
  • Проверка работоспособности блокирующих механизмов и заземления.
  • Проверка надежности фиксирующих узлов – монтажных скоб, зажимных элементов, метизов, присоединения разъемов и полумуфт.
  • Проверка состояния электротехнических источников питания.
  • Ремонт, замена или восстановление поврежденных частей комплекса.

Обучение систем автоматического контроля и управления

Изменение условий работы большинства систем в современном мире обуславливает необходимость создания моделей их адаптации. Конечно, подобные задачи могут выполняться и вручную, но такой подход противоречит самой концепции автоматического управления. Поэтому создаются новые теории обучения, адаптации и самоорганизации контролирующих систем. Наиболее перспективными направлениями в этой области можно назвать системы обратной связи, устройства распознавания образов и теорию искусственного интеллекта. Объединяются же принципы обучения в каждом из этих случаев тем, что система самостоятельно выбирает тактику дальнейших действий исходя из широкого спектра данных о своем состоянии – на сегодняшний день уже стандартными стали сведения о температуре, влажности, вибрациях и т. д.

Заключение

Цели, которые ставят перед собой разработчики современных устройств контроля и управления, вышли далеко за пределы простых задач саморегуляции механизмов. В нынешнем понимании перспективная автоматическая система управления – это многофункциональный комплекс, способный выполнять задачи проектирования и обслуживать процессы коллективной коммуникации между группами сотрудников. Подобные системы требуют немалых затрат на внедрение и дальнейшее обучение, но снижение производственных расходов уже в процессе эксплуатации оправдывает такие вложения. Другое дело, что в некоторых областях автоматические обучаемые системы готовы предлагать возможности, на которые пока еще нет достаточного спроса.

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ

В § 2.1 было сформулировано одно из важнейших понятий в теории автоматизированного электропривода: регулирование координат, осуществляемое в целях управления движением исполнительного органа. Реализация этого процесса осуществляется целенаправленным воздействием на электродвигатель с помощью системы управления СУ, содержащей в общем случае (см. рис. B.I) силовой преобразователь ПУ и устройство управления УУ. Рассмотрим, по каким принципам строятся системы управления.

Всю совокупность систем управления можно разделить на неавтоматизированные и автоматизированные. Последние, в свою очередь, делятся на разомкнутые и замкнутые.

Неавтоматизированными называются системы, в которых все операции по управлению электроприводом осуществляются человеком (оператором) с помощью простейших ручных средств управления. Обычно такие системы управления используются в нерегулируемых электроприводах машин и механизмов, выполняющих простые технологические операции.

Автоматизированными называются такие системы, в которых человек (оператор) дает только команду на начало и конец работы, а все остальные операции по обеспечению заданного технологического процесса обеспечиваются системой управления без участия человека.

Для пояснения понятия разомкнутых систем управления обратимся к рис. 2.6, а. На рисунке приняты обозначения:

ЭП – электропривод; ХВЫХ выходная координата ЭП (показана лишь одна координата, например скорость); ХЗзадающий сигнал (управляющее воздействие), определяющий уровень ХВЫХ; ХВОЗМ возмущающее воздействие. Последнее в общем случае определяется различными помехами, колебаниями питающего напряжения, аварийными ситуациями и нагрузкой электропривода, которая является основным возмущающим воздействием для электропривода. Введенные понятия позволяют определить разомкнутую систему как систему, в которой изменение внешних возмущений ХВОЗМ отражается на выходной величине ХВЫХ. Другими словами, разомкнутая система не обеспечивает отстройку выходной величины от внешних возмущений, которые проявляются в изменении уровня ХВЫХ. Это является наиболее существенным недостатком разомкнутых систем, которые тем не менее из-за своей простоты нашли широкое применение в электроприводе, например для автоматизации его пуска, реверса и торможения.

В отличие от разомкнутых в замкнутых системах влияние возмущающего воздействия ХВОЗМ на выходную координату ХВЫХ частично или полностью устраняется. Достигается это в системе с обратной связью (рис. 2.6, б) и в системе с компенсацией возмущающего воздействия (рис. 2.6, в), а также в комбинированной системе (рис. 2.6, г).

Системы с обратной связью или, что то же самое, системы, работающие по принципу отклонения, являются основным видом замкнутых систем автоматизированного электропривода. Их характерным признаком является подача на вход электропривода сигнала обратной связи ХО,С, пропорционального выходной величине ХВЫХ. Этот сигнал сравнивается с задающим сигналом ХЗ, и результирующий сигнал Х (его называют обычно сигналом рассогласования или отклонения) является входным управляющим сигналом для электропривода.

Если вследствие действия возмущения ХВОЗМ (нагрузки ЭП) выходная величина ХВЫХ (скорость ЭП) изменится, то соответствующим образом изменится и сигнал рассогласования X, а это приведет к изменению режима ЭП и восстановлению с определенной точностью прежнего уровня его скорости. Если производится регулирование нескольких координат электропривода, то в системе используется и соответствующее число обратных связей.

Системы, у которых Х=0, т. е. установившееся рассогласование, обусловленное возмущающим воздействием, равно нулю, называются астатическими. Системы, у которых установившееся рассогласование не равно нулю, называются статическими.

Системы со структурой, показанной на рис. 2.6, в, реализуют принцип компенсации возмущающего воздействия. Для этого входной сигнал ХВ, пропорциональный ХВОЗМ, подается в систему вместе с задающим сигналом ХЗ, в результате чего суммарный сигнал Х обеспечивает такое управление ЭП, при котором осуществляется компенсация возмущений. Такие системы используются значительно реже систем с обратными связями из-за отсутствия простых и надежных датчиков нагрузки электропривода. Кроме того, в этих системах компенсируется только одно из действующих на систему возмущений.

В последнее время применение находят комбинированные системы управления (рис. 2.6, г), использующие оба принципа, но все же основную массу замкнутых систем автоматизированного электропривода составляют системы с обратными связями, которым уделяется в дальнейшем основное внимание.

Все обратные связи можно разделить на положительные и отрицательные, жесткие и гибкие, линейные и нелинейные. Положительной называется такая обратная связь, сигнал которой ХО,С направлен согласно с задающим сигналом ХЗ (знак “плюс” на рис. 2.6), в то время как сигнал отрицательной обратной связи направлен навстречу сигналу задания (знак “минус” на рис. 2.6).

Жесткая обратная связь характеризуется тем, что ее сигнал действует как в установившихся, так и в переходных режимах ее работы. Сигнал гибкой обратной связи вырабатывается только в переходных режимах системы и служит для формирования только динамических характеристик электропривода.

Линейной называется обратная связь, которая математически описывается линейными уравнениями (алгебраическими, дифференциальными и т.д.). Все остальные связи являются нелинейными.

В электроприводе для регулирования его выходных координат – скорости, ускорения, положения – обычно используются обратные связи по скорости, положению, току и напряжению всех перечисленных выше видов (обратная связь по моменту или усилию двигателя применяется редко из-за отсутствия, простых и надежных датчиков момента и усилия).

При регулировании двух или нескольких координат электропривода используются три основные структурные схемы, показанные на рис. 2.7–2,9.

Схема рис. 2.7, для которой использованы те же обозначения, что и для схемы рис. B.1, носит название схемы, с общим суммирующим усилителем. Электродвигатель на ней для удобства анализа представлен двумя частями – электрической ЭЧД (обмотка якоря) и механической МЧД (ротор). Электромагнитный момент двигателя, обозначенный как ХЗ, является в общем случае регулируемой координатой электропривода. Координаты Х2 и Х1 представляют соответственно скорость и положение вала двигателя.

Основным признаком схемы с общим усилителем является использование усилителя, на входы которого подается алгебраическая сумма сигналов задающего Х3 и обратных связей по всем координатам Xo,c1, Хо,с2, Хо,с3. Достоинство схемы заключается в ее простоте, недостаток – невозможность регулирования координат независимо друг от друга и, как следствие этого, трудность достижения оптимального регулирования одновременно всех координат.

Развитием схемы с общим усилителем является схема рис. 2.8, где используются нелинейные обратные связи, часто называемые в теории электропривода отсечками. Реализация нелинейного характера обычно достигается за счет введения дополнительных опорных сигналов ±Xoтс1, ±Хотс2, ±Хотс3 и вентильных элементов, вследствие чего характеристика цепи обратной связи приобретает вид, показанный на рис. 2.8. В результате действие обратных связей в некотором диапазоне оказывается уже разделенным между собой, но по-прежнему невозможно осуществить независимую настройку регулирования всех координат.

Указанный недостаток схем с общим усилителем устраняется при использовании так называемых систем подчиненного регулирования координат с последовательной коррекцией (рис. 2.9).

Отличительной особенностью этих систем является равенство (соответствие) количества усилителей и замкнутых контуров числу регулируемых координат. При этом замкнутые контуры располагаются таким образом, что выходной сигнал внешнего контура является задающим, входным сигналом внутреннего контура. Тем самым каждый внутренний контур оказывается подчиненным внешнему контуру, откуда и произошло название таких систем. Применительно к схеме рис. 2.9 первым контуром является контур тока и момента (координата ХЗ), который подчинен внешнему по отношению к нему контуру скорости (координате Х2), который, в свою очередь, подчинен контуру положения (координата X1).

Каждый контур имеет свой усилитель – У1, У2, УЗ, которые обычно называются соответственно регуляторами положения, скорости, тока и момента. Такое построение системы позволяет осуществлять раздельное регулирование координат и раздельную (оптимальную) настройку качества процесса регулирования. Выбор типа регуляторов и расчет их параметров обычно производят таким образом, чтобы получить в динамических режимах технически оптимальный переходный процесс (настройка на технический оптимум). Такой процесс (рис. 2.10) характеризуется минимально возможным временем t1 изменения регулируемой координаты Xi, от 0 до установившегося значения Хiуст при перерегулировании Хi=4 10 %.

Оптимальность такого переходного процесса состоит в том, что более быстрый процесс будет иметь большее перерегулирование, а при меньшем перерегулировании процесс протекает медленнее.

Многие технологические процессы требуют одновременного использования нескольких рабочих, машин, которые для реализации нормального хода этих процессов должны определенным образом между собой взаимодействовать. Наилучший результат работы совокупности нескольких рабочих машин единого технологического цикла достигается при их комплексной автоматизации, когда с помощью соответствующих схем управления электроприводами обеспечивается определенная последовательность операций, автоматически избираются наилучшие (оптимальные) режимы работы машин, осуществляются необходимые блокировки и защита. В конечном итоге комплексная автоматизация технологических процессов сказывается на увеличении производительности рабочих машин и повышении качества выпускаемой продукции.

Каждый электрик должен знать:  Компактные программируемые нагрузочные модули для цепей постоянного тока

Современный этап комплексной автоматизации характеризуется широким использованием средств вычислительной техники. Повышение требований к точности и быстродействию управления технологическими процессами, необходимость учета и обработки больших объемов информации о их протекании, усложнение самих законов управления делают задачу применения средств вычислительной техники крайне настоятельной. Предпосылкой для ее решения является постоянное повышение надежности и быстродействия вычислительных машин, расширение их номенклатуры и появление в том числе специализированных и управляющих вычислительных машин-микропроцессоров. Применение вычислительных машин позволяет обеспечить наилучший режим технологического процесса с учетом влияния большого числа факторов, обеспечить согласование работы отдельных частей технологического оборудования, получать, обрабатывать и выдавать всю необходимую информацию о ходе технологического процесса.

Особое место при комплексной автоматизации технологических процессов занимают роботы и манипуляторы, с помощью которых может быть обеспечена связь между отдельными рабочими машинами технологического цикла и выполнение многих повторяющихся технологических операций. Эти технические устройства с успехом осуществляют транспортировку обрабатываемых изделий, выполняют различные вспомогательные операции по обработке, освобождая рабочего от однообразного и утомительного труда.

1.1 Общие принципы построения автоблокировки (АБ)

Эксплуатационная часть проекта АБ составляется на основании задания на проектирования. В задании должны быть данные, которые характеризуют движение поездов на участке:

Существующие перспективные размеры движения;

Весовые нормы поездов;

Максимальные расчетные скорости поездов и др.

В разработку эксплуатационной части проекта входят:

Тяговые расчеты для принятых категорий поездов;

Определение интервалов между поездами;

Расстановка светофоров на перегоне;

При разработке основных принципиальных вопросов проектирования автоблокировки на участке необходимо учитывать решения принятые на смежных участках.

По исходным данным заданы следующие параметры:

Участок с переменным током;

Весовые номы поездов — 2800 т.;

Задано десять участков пути, которые характеризуются следующими параметрами:

Раздел 1. Автоматизированные системы управления

Раздел 1. Автоматизированные системы управления

Тема 1.1 Системы автоматического управления и следящие системы

1. Классификация систем автоматического управления


2. Законы автоматического управления.

3. Системы автоматизированного управления производством

1. Существует большое разнообразие систем автоматического управления. Чтобы как-то разобраться в этом многообразии проводится классификация САУ. Существует несколько признаков, по которым проводится классификация САУ. На рисунке 4 приведена примерная классификация САУ.

Рисунок 4 — Классификация САУ

Основные признаки классификации САУ:

По назначению, то есть характеру изменения задающего воздействия, различают:

· системы автоматической стабилизации;

· системы программного управления;

Стабилизирующая АСУ система, алгоритм функционирования которой содержит предписание поддерживать значение управляемой величины постоянным:

Знак ≈ означает, что управляемая величина поддерживается на заданном уровне с некоторой ошибкой.

Стабилизирующие АСУ самые распространенные в промышленной автоматике. Их применяют для стабилизации различных физических величин, характеризующих состояние технологических объектов.

Программная АСУ система, алгоритм функционирования которой содержит предписание изменять управляемую величину в соответствии с заранее заданной функцией времени:

Следящая АСУ система, алгоритм функционирования которой содержит предписание изменять управляемую величину в соответствии с заранее неизвестной функцией времени:

В стабилизирующих, программных и следящих АСУ цель управления заключается в обеспечении равенства или близости управляемой величины x(t) к ее заданному значению xз(t).

Такое управление, осуществляемое с целью поддержания x(t)xз(t), называется регулированием. Управляющее устройство, осуществляющее регулирование, называется регулятором, а сама система системой регулирования.

По принципу управления различают:

· Системы с управлением по разомкнутому циклу;

· Системы с управлением по замкнутому циклу;

· Системы комбинированного управления.

Разомкнутая АСУ система, в которой не осуществляется контроль управляемой величины, т.е. входными воздействиями ее управляющего устройства являются только внешние (задающее и возмущающее) воздействия.

Рисунок 5 — Функциональные схемы САУ с разомкнутой (а, б), замкнутой (в) и комбинированной (г) цепями воздействий

Разомкнутые АСУ можно разделить в свою очередь на два типа:

• осуществляющие управление в соответствии с изменением только задающего воздействия (Рисунок 5, а);

• осуществляющие управление в соответствии с изменением и задающего и возмущающего воздействий (Рисунок 5, б).

Алгоритм управления разомкнутой системы первого типа имеет вид

Чаще всего оператор Аy устанавливает пропорциональную связь между задающим воздействием xз(t) и управляющим воздействием y(t), а сама система в этом случае осуществляет программное управление.

Системы первого типа работают эффективно лишь при условии, если влияние возмущений на управляемую величину невелико и все элементы разомкнутой цепи обладают достаточно стабильными характеристиками.

В системах управления по возмущению (Рисунок 5, б) управляющее воздействие зависит от возмущающего и задающего воздействий:

В большинстве случаев разомкнутые системы управления по возмущению выполняют функции стабилизации управляемой величины.

Преимущество разомкнутых систем управления по возмущению – их быстродействие: они компенсируют влияние возмущения еще до того, как оно проявится на выходе объекта. Но применимы эти системы лишь в том случае, если на управляемую величину действуют одно или два возмущения и есть возможность измерения этих возмущений. Поэтому если эти величины действуют на объект как возмущения, то обычно стремятся стабилизировать их при помощи дополнительной системы или ввести в основную систему управления данным объектом сигнал, пропорциональный такому воздействию.

Замкнутая АСУ (АСУ с обратной связью) система, в которой входными воздействиями ее управляющего устройства являются как внешнее (задающее), так и внутреннее (контрольное) воздействия.

Управляющее воздействие в замкнутой системе (Рисунок 5, в) формируется в большинстве случаев в зависимости от величины и знака отклонения истинного значения управляемой величины от ее заданного значения:

где ε(t) = xз(t) — x (t) – сигнал ошибки (сигнал рассогласования).

Замкнутую систему называют часто системой управления по отклонению. В замкнутой системе контролируется непосредственно управляемая величина и тем самым при выработке управляющего воздействия учитывается действие всех возмущений, влияющих на управляемую величину. В этом заключается преимущество замкнутых систем.

Комбинированная АСУ система, в которой входными воздействиями ее управляющего устройства являются как внешние (задающее и возмущающее), так и внутреннее (контрольное) воздействия.

В комбинированных системах (Рисунок 5, г) имеется две цепи воздействий – по заданию и по возмущению, и управляющее воздействие формируется согласно оператору.

Эффективность работы комбинированной АСУ всегда больше, чем у порознь функционирующих замкнутой или разомкнутой систем.

По характеру используемых для управления сигналов различают:

1) непрерывные или аналоговые системы автоматического управления;

2) дискретные САУ, из которых выделяет:

· импульсные системы автоматического управления;

· релейные системы автоматического управления;

· цифровые системы автоматического управления.

Непрерывная АСУ АСУ, в которой действуют непрерывные (аналоговые), определенные в каждый момент времени сигналы.

Дискретная АСУ АСУ, в которой действует хотя бы один дискретный, определенный только в некоторые моменты времени сигнал.

К дискретным АСУ относятся, например, АСУ, имеющие в своем составе цифровые вычислительные устройства: микропроцессоры, контроллеры, электронные вычислительные машины.

По характеру используемой информации об условиях работы различают:

1. системы автоматического управления с жестким законом управления и структурой;

2. системы автоматического управления с изменяемыми структурой и законом управления, к которым относятся:

· системы автоматической настройки;

По характеру математических соотношений различают:

1) линейные системы автоматического управления, для которых справедлив принцип суперпозиции;

2) нелинейные системы автоматического управления, для которых принцип суперпозиции в общем случае не справедлив.

Линейные АСУ АСУ, все элементы которых описываются линейными дифференциальными и/или алгебраическими уравнениями.

Нелинейные АСУ АСУ, хотя бы один элемент которой описывается нелинейными дифференциальными и/или алгебраическими уравнениями.

Как линейные, так и нелинейные САУ могут подразделяться на аналоговые, дискретные и дискретно-непрерывные, стационарные и нестационарные. При этом стационарной системой называется САУ, параметры элементов которой не зависят от времени работы системы. Для нестационарной САУ это условие не выполняется.

Стационарные и нестационарные САУ могут быть с сосредоточенными и распределенными параметрами.

По количеству выходных координат объекта управления различают:

1. одномерные системы автоматического управления;

2. многомерные системы автоматического управления.

Последние делятся на системы связанного и несвязанного управления. В системах связанного управления отдельные управляющие устройства соединены между собой внешними связями. Входящая в состав многомерной системы отдельная САУ называется автономной, если управляемая ею выходная переменная не зависит от значения остальных управляемых величин.

По способу выработки управляющего воздействия замкнутые АСУ разделяют на: • беспоисковые;

Беспоисковая АСУ АСУ, в которой управляющее воздействие вырабатывается в результате сравнения истинного значения управляемой величины с заданным значением.

Такие системы применяют для управления сравнительно несложными объектами, характеристики которых достаточно хорошо изучены и для которых заранее известно в каком направлении и на сколько нужно изменить управляющее воздействие при определенном отклонении управляемой величины от заданного значения.

Поисковая АСУ АСУ, в которой управляющее воздействие формируется с помощью пробных управляющих воздействий и путем анализа результатов этих пробных воздействий.

Такую процедуру поиска правильного управляющего воздействия приходится применять в тех случаях, когда характеристики объекта управления меняются или известны не полностью; например, известен вид зависимости управляемой величины от управляющего воздействия, но неизвестны числовые значения параметров этой зависимости.

Поэтому поисковые системы называют еще системами с неполной информацией. Наиболее часто принцип автоматического поиска управляющих воздействий применяют для управления объектами, характеристики которых имеют экстремальный характер. Целью управления является отыскание и поддержание управляющих воздействий, соответствующих экстремальному значению управляемой величины. Такие поисковые системы называют экстремальными (оптимальными) системами.

Особый класс АСУ образуют системы, которые способны автоматически приспосабливаться к изменению внешних условий и свойств объекта управления, обеспечивая при этом необходимое качество управления путем изменения структуры и параметров управляющего устройства. Они называются адаптивными (самоприспосабливающимися) системами. В составе адаптивной АСУ имеется дополнительное автоматическое устройство, которое меняет алгоритм управления основного управляющего устройства таким образом, чтобы АСУ в целом осуществляла заданный алгоритм функционирования, который предписывает обычно максимизацию показателя качества. Поэтому адаптивные АСУ являются, как правило, еще и оптимальными.

По степени зависимости управляемой величины в установившемся режиме от величины возмущающего воздействия АСУ делят на:

Статическая АСУ АСУ, в которой имеется зависимость управляемой величины в установившемся режиме от величины возмущающего воздействия.

Астатическая АСУ АСУ, в которой отсутствует зависимость управляемой величины в установившемся режиме от величины возмущающего воздействия.

В зависимости от принадлежности источника энергии, при помощи которого создается управляющее воздействие, различают АСУ:

АСУ прямого действия АСУ, в которой управляющее воздействие создается при помощи энергии объекта управления.

К ним относятся простейшие системы стабилизации (уровня, расхода, давления и т. п.), в которых воспринимающий элемент через рычажную систему непосредственно действует на исполнительный орган (заслонку, клапан).

АСУ непрямого действия АСУ, в которой управляющее воздействие создается за счет энергии дополнительного источника.

2. Алгоритм функционирования устройства (системы) совокупность предписаний, ведущих к правильному выполнению технического процесса в каком-либо устройстве или в совокупности устройств (системе).

К алгоритмам функционирования относятся:

1) Алгоритм стабилизации, который требует постоянства вектора выходного состояния ОУ Y(t) и равенство его заданному значению Yz.

При этом заданное значение должно оставаться постоянным в течении достаточно долгого периода времени. Примером систем, в которых используется алгоритм стабилизации, являются приводы главного движения станочного оборудования.

2) Программный алгоритм, для которого характерно изменение вектора выходного состояния ОУ по наперед известному закону или программе. В этом случае заданное значение вектора выходного состояния является известной функцией времени, то есть

Примером использования такого алгоритма являются системы числового программного управления.

3) Следящий алгоритм работы ОУ характеризуется тем, что требуемый закон изменения вектора выходного состояния объекта заранее неизвестен. Следящий алгоритм может быть описан выражением:

Таким алгоритмом работы характеризуются системы наведения или слежения за состоянием объекта, изменяющегося по случайному закону. Например, системы компенсации износа режущего инструмента.

Графическое представление алгоритмов функционирования для вектора выходного состояния, содержащего только одну компоненту, представлено на рисунке 6.

Стабилизация Программный Следящий

Рисунок 6 — Алгоритмы функционирования ОУ.

Алгоритм управления совокупность предписаний, определяющая характер воздействий извне на объект управления, обеспечивающих его алгоритм функционирования. Алгоритм функционирования управляющего устройства зависимость управляющего воздействия от задающего воздействия, управляемой величины и дополнительного возмущающего воздействия.

Для одномерной АСУ алгоритм управления можно записать следующим образом:

Алгоритм функционирования объекта управления – зависимость управляемой величины от управляющего и основного возмущающего воздействий.

Для одномерной АСУ алгоритм функционирования объекта можно записать следующим образом:

Алгоритм функционирования объекта и алгоритм управления в совокупности образуют алгоритм функционирования АСУ.

Алгоритмическая структура (схема) структура (схема), представляющая собой совокупность взаимосвязанных алгоритмических звеньев и характеризующая алгоритмы преобразования информации в АСУ.

При этом, алгоритмическое звено часть алгоритмической структуры АСУ, соответствующая определенному математическому или логическому алгоритму преобразования сигнала.

Если алгоритмическое звено выполняет одну простейшую математическую или логическую операцию, то его называют элементарным алгоритмическим звеном. На схемах алгоритмические звенья изображают прямоугольниками, внутри которых записывают соответствующие операторы преобразования сигналов. Иногда вместо операторов в формульном виде приводят графики зависимости выходной величины от входной или графики переходных функций.

Различают следующие виды алгоритмических звеньев:

• статическое; • динамическое;• арифметическое;• логическое.

Статическое звено – звено, преобразующее входной сигнал в выходной мгновенно (без инерции). Связь между входным и выходным сигналами статического звена описывается обычно алгебраической функцией. К статическим звеньям относятся различные безинерционные преобразователи, например, резистивный делитель напряжения.

Динамическое звено звено, преобразующее входной сигнал в выходной в соответствии с операциями интегрирования и дифференцирования во времени. Связь между входным и выходным сигналами динамического звена описывается обыкновенными дифференциальными уравнениями.

К классу динамических звеньев относятся элементы АСУ, обладающие способностью накапливать какой-либо вид энергии или вещества, например, интегратор на основе электрического конденсатора.

Арифметическое звено звено, осуществляющее одну из арифметических операций: суммирование, вычитание, умножение, деление.

Наиболее часто встречающееся в автоматике арифметическое звено – звено, выполняющее алгебраическое суммирование сигналов, называют сумматором.

Логическое звено звено, выполняющее какую-либо логическую операцию: логическое умножение («И»), логическое сложение («ИЛИ»), логическое отрицание («НЕ») и т.д. Входной и выходной сигналы логического звена являются обычно дискретными и рассматриваются как логические переменные.

Конструктивная структура (схема) структура (схема), отражающая конкретное схемное, конструктивное и прочее исполнение АСУ.

К конструктивным схемам относятся: кинематические схемы устройств, принципиальные и монтажные схемы электрические соединений и т. д.

3. Автоматические системы, применяемые при автоматизации производственных процессов, в зависимости от характера и объема операций, выполняемых ими, можно разделить на системы автоматического контроля, автоматического регулирования, автоматического управления, следящие, автоматической защиты, адаптивные и т.д. Автоматические системы могут быть комбинированными, т.е. представлять собой совокупность нескольких систем. Например, система автоматического регулирования представляет собой совокупность систем автоматического контроля и управления. Автоматические системы могут также различаться видами применяемых в них устройств, параметрами, конструктивными решениями и т.д.

Следящая система автоматическая система, в которой выходная величина воспроизводит с определенной точностью входную величину, характер изменения которой заранее не известен.

Следящие системы используют для различных целей. В качестве выходной величины следящей системы можно рассматривать совершенно различные величины. Одной из наиболее широко распространенных разновидностей следящих систем являются системы управления положением объектов. Такие системы можно рассматривать как дальнейшее развитие и усовершенствование систем дистанционной передачи угловых или линейных перемещений, в которых регулируемой величиной обычно является угол поворота объекта.

Следящая система представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 – Функциональная схема следящей системы

На элемент сравнения (ЭС) от задающего элемента (ЗЭ), связанного с входным валом следящей системы, поступает входная величина αвх. Сюда же от объекта управления (ОУ), связанного с выходным валом системы, поступает значение угла обработки αвых. В результате сравнения этих величин на выходе элемента сравнения появляется рассогласование Ө=αвх— αвых

Сигнал рассогласования с выхода элемента сравнения поступает на преобразователь (Пр), в котором угол Ө преобразуется в пропорциональное ему напряжение U – сигнал ошибки.

Однако в большинстве случаев мощность сигнала ошибки недостаточна для приведения в действие исполнительного двигателя (М). Поэтому между преобразователем и исполнительным двигателем включают усилитель (У), обеспечивающий необходимое усиление сигнала ошибки по мощности. Усиленное напряжение с выхода усилителя поступает на М , который приводит в действие объект управления, а перемещение αвых последнего передается на принимающий элемент измерительной схемы, т.е. на элемент сравнения.

Адаптивная (самоприспосабливающаяся) система – система автоматического управления, у которой автоматически изменяется способ функционирования управляющей части для осуществления в каком-либо смысле наилучшего управления. В зависимости от поставленной задачи и методов ее решения возможны различные законы управления, поэтому адаптивные системы разделяют на следующие виды:

— адаптивные системы функционального регулирования, где управляющее воздействие является функцией какого-либо параметра, например, подача – функция одной из составляющих силы резания, скорость резания – функция мощности;

— адаптивные системы предельного (экстремального) регулирования, которые обеспечивают поддержание предельного значения одного или нескольких параметров в объекте;

— адаптивные системы оптимального регулирования, в которых учитывается совокупность многих факторов с помощью комплексного критерия оптимальности. В соответствии с этим критерием осуществляется изменение регулируемых параметров и величин, например, поддержание в станке режима обработки, обеспечивающего максимальную производительность и наименьшую себестоимость обработки, определяется заданием оптимальных значений параметров (скоростей сил резания, температуры и т.д.), от которых зависят производительность и себестоимость процесса обработки.

Тема 1.2 Системы автоматического регулирования

1. Состав системы автоматического регулирования

2. Классификация систем регулирования производством

3. Типовые динамические звенья САР и их характеристики

4. Устойчивость систем автоматического регулирования.

1. Система автоматического регулирования (САР) – совокупность объекта управления и автоматического регулятора, взаимодействующих между собой в соответствии с алгоритмом управления.

Автоматическим регулированием называют поддержание значений физических величин на определенном уровне или изменение их по требуемому закону без непосредственного участия человека.

Технические устройства, в которых процессы подлежат автоматическому регулированию, называют объектами регулирования.

Физические величины, подлежащие регулированию, называют регулируемыми величинами.

Внешние воздействия, вызывающие отклонение регулируемой величины от ее заданного значения, называют возмущающими воздействиями.

Технические устройства, предназначенные для автоматического регулирования различных величин в объектах, называют автоматическими регуляторами.

Система автоматического регулирования состоит из двух основных частей — объекта регулирования и автоматического регулятора. САР представляет собой сложные комплексы взаимодействующих технических средств, узлов и элементов, работа которых основана на различных физических принципах (электрических, механических, гидравлических и др.). Они разнообразны по конструктивному исполнению и техническим характеристикам. Однако в теории автоматического регулирования основное внимание уделяется не техническим свойствам отдельных элементов, а их функциональным преобразованиям и характеру связей между ними. Наглядное представление об этом дают функциональные схемы систем автоматического регулирования.

Функциональные схемы отражают взаимодействие устройств, элементов систем автоматического регулирования в процессе их работы. Графически отдельные устройства систем автоматического регулирования изображают в виде прямоугольников, а существующие между ними связи — стрелками, соответствующими направлению прохождения сигнала. Внутреннее содержание каждого устройства не конкретизируется, а функциональное назначение шифруется буквенными символами.

Типовая (или обобщенная) функциональная схема системы автоматического регулирования представлена на рисунке 8.

На объект регулирования ОР, находящийся под влиянием внешнего возмущающего воздействия F, поступает управляющее воздействие хр, которое является выходной величиной автоматического регулятора (АР), представляющего собой совокупность элементов. В автоматический регулятор по цепи главной обратной связи (ОСГ) поступает регулируемая величина хвых. Входная величина хвх с задатчика З поступает на элемент сравнения (ЭС). Сигнал ошибки, представляющий собой разность входной величины хвх и сигнала главной обратной связи хос (Δх=хвхос ) поступает на усилитель У, где усиливается в К раз и воздействует на исполнительный элемент (ИЭ), выходной сигнал хр которого является регулирующим воздействием автоматического регулятора. Элемент местной обратной связи (ОСМ) вводится в систему автоматического регулирования для улучшения ее динамических свойств.

Рисунок 8 — Функциональная схема систем автоматического регулирования

2. Классификация систем. Вследствие большого разнообразия используемых в технике систем автоматического регулирования, различающихся функциональными возможностями, принципами построения и формой конструктивной реализации, невозможно дать единую классификацию систем автоматического регулирования.

Рассмотрим наиболее характерные классификационные признаки.

1) Наличие в системах явно выраженной обратной связи: разомкнутые и замкнутые. Замкнутые системы содержат цепь главной обратной связи ОСГ, в разомкнутых системах она отсутствует. Системы, работающие по разомкнутому циклу, используют только в качестве составной части более сложных систем автоматического регулирования. Под главной обратной связью понимают подачу части энергии с выхода системы на ее вход. Главная обратная связь (ОСГ) служит для сравнения действительного закона изменения регулируемого параметра с требуемым.

Помимо главной обратной связи в системе предусмотрена местная обратная связь, которая охватывает один или несколько элементов основной цепи. Обратную связь называют положительной, если ее выходной сигнал суммируется с основным сигналом, и отрицательной, если этот сигнал вычитается из основного сигнала.

2) Закон изменения регулируемой величины в системах автоматического регулирования: системы стабилизации, программного регулирования и следящие. Системы стабилизации предназначены для поддержания постоянного значения регулируемой величины. В этих системах задающее воздействие не изменяется во времени.

Системы программного регулирования предназначены для изменения регулируемой величины по известному закону в функции времени или какой-либо другой величины. Задающее воздействие называют программой регулирования. Следящие системы предназначены для изменения регулируемой величины по заранее неизвестному закону. Задающее воздействие представляет собой случайную функцию времени.

3) Способность САР поддерживать с определенной степенью точности значение регулируемой величины: статические и астатические.

Статической системой автоматического регулирования называют такую систему, в которой принципиально невозможно поддерживать одно и то же значение регулируемого параметра при условии, что задающее воздействие системы остается неизменным. Остаточную ошибку в такой системе называют статизмом.

Астатической системой автоматического регулирования называют такую систему, в которой в установившемся режиме регулируемый параметр принимает всегда одно и то же значение и не зависит от значения возмущающего воздействия на объект регулирования. В астатической системе статизм всегда равен нулю.

4) Функциональная связь между входными и выходными величинами элементов, входящих в состав системы автоматического регулирования: непрерывные и дискретные. Непрерывной системой автоматического регулирования называют систему, в которой непрерывному изменению входных величин элементов соответствует непрерывное изменение выходных величин этих эле-ментов. Дискретной системой автоматического регулирования называют систему, в которой непрерывному изменению входной величины хотя бы одного элемента, входящего в состав системы, соответствует дискретное изменение выходной величины этого элемента.

3. При изучении динамических свойств систем целесообразно рассматривать отдельные ее элементы только с точки зрения их динамических свойств независимо от функциональных преобразований и конструктивных форм исполнения. Одинаковыми динамическими свойствами могут обладать различные элементы независимо от их физической природы. По этому признаку в цепях регулирования принято выделять отдельные элементы или группы элементов, которые называют динамическими звеньями.

Динамическим звеном называют часть системы автоматического регулирования, переходный процесс которой описывается дифференциальным уравнением определенного вида. Динамическим звеном может быть элемент, совокупность элементов и вся система автоматического регулирования в целом.

Графически динамическое звено изображается в виде прямоугольника, внутри которого вписывается выражение передаточной функции W (р), а направление прохождения информации изображается стрелками. Входной и выходной сигналы в динамическом звене могут иметь различную физическую природу.

В теории автоматического регулирования можно выделить следующие типовые динамические звенья — безынерционное (пропорциональное), апериодическое (инерционное), дифференцирующее, интегрирующее, колебательное.

Характеристики динамических звеньев

Зависимость выходной величины звена от входной в установившемся режиме называют статической характеристикой. Установившийся режим — это такой режим, при котором входная и выходная величины остаются постоянными во времени. Статическую характеристику обычно изображают графически. Ее значения можно получать экспериментально или расчетным путем.

Системы автоматического регулирования, как правило, работают в неустановившемся, переходном режиме. Такой режим работы является следствием воздействия на систему непрерывно и случайно изменяющихся внешних возмущающих факторов, приводящих к непрерывному изменению входной и выходной величины во всех ее звеньях. Поэтому одной из важных задач является изучение поведения динамических звеньев в переходных режимах.

Динамической характеристикой звена называют зависимость выходной величины от входной в переходном процессе. Физическая задача определения выходной величины звена при изменяющемся входном сигнале сводится к решению дифференциального уравнения того или иного вида, описывающего протекание переходных процессов в звене.

Дифференциальные уравнения движения динамического звена. В линейных системах автоматического регулирования протекающие процессы описываются линейными дифференциальными уравнениями, решение которых значительно упрощается с использованием методов операционного исчисления.

Решение дифференциального уравнения методом операционного исчисления осуществляется в следующие три этапа;

1) переход от оригиналов к изображениям, т. е. переход от дифференциального уравнения к алгебраическому;

2) отыскание из полученного алгебраического уравнения неизвестной функции Y (р), т. е. решение алге­браического уравнения;

3) переход от найденного изображения Y (р) к оригиналу неизвестной функции.

Дифференциальные уравнения движения звеньев имеют следующий вид:

— безинерционное звено: [1.13]

где – постоянная времени звена,

Передаточная функция. Передаточной функцией звена называется отношение изображения выходной величины звена к изображению входной величины при нулевых начальных условиях. Обозначим через W (р) передаточную функцию, а через X (р) и Y (р) — соответственно изображения входной и выходной величин, тогда: W(p) = Y (р)/Х (р) [1.18]

Переходная характеристика. Переходной характеристикой (переходным процессом) динамического звена называют зависимость выходной величины от времени при подаче на вход звена ступенчатого сигнала единичной амплитуды. Следовательно, переходная характеристика отображает реакцию звена на единичный ступенчатый сигнал.

Частотные характеристики звеньев. Если на вход динамического звена поступает сигнал синусоидальной формы определенной частоты, то выходной сигнал имеет те же синусоидальную форму и частоту, но другие амплитуду и фазу. В связи с этим различают амплитудно-частотные и фазово-частотные характеристики звеньев.

Амплитудно-частотная характеристика выражает отношение амплитуды колебаний на выходе звена к амплитуде колебаний на его входе в зависимости от частоты выходного сигнала (Рисунок 9, а)

где Авых — амплитуда выходного сигнала; Авх — амплитуда входного сигнала; ω — угловая частота.

Рисунок 9 — Частотные характеристик звеньев: а- амплитудно-частотная; б — фазово-частотная; в – амплитудно-фазовая

Фазово-частотная характеристика выражает зависимость разности фаз между входными и выходными колебаниями звена от частоты входного сигнала (Рисунок 9, б):

где φ — фазовый угол. Опережению фазы соответствует φ>0, а отставанию φ j ( ωt + φ ) /Авхe jωt = Авыхe jφ /Авх= А(ω)e jφ (ω) , [1.21]

где Авыхe j ( ωt + φ ) ; Авхe jωt соответственно выходной и входной сигналы в символической форме записи.

Существует показательная форма записи:

W (jω) = А(ω)е j φ(ω) [1.22]

Величина А (ω) — изменение отношения амплитуд выходного сигнала к входному, а φ (ω) — изменение фазы колебаний на выходе звена относительно колебаний на входе, происходящих с изменением частоты входного сигнала.

Логарифмической амплитудно-частотной характеристикой (ЛАЧХ) L (ω) называют зависимость модуля частотной характеристики от частоты, представленную в логарифмическом масштабе. Логарифмической фазово-частотной характеристикой (ЛФЧХ) называют зависимость аргумента частотной характеристики от логарифма частоты.

Для построения ЛАЧХ от выражения амплитудно-фазовой характеристики вида W () = А(ω)е j φ(ω) переходят к выражению

L (ω) = 20 lg |W (ω)|= 20 lg A (ω), [1.23]

где L (ω) — в децибелах.

При построении ЛФЧХ по оси ординат откладывают углы в градусах или радианах, по оси абсцисс — частоту со в логарифмическом масштабе в декадах.

4. Необходимым условием работоспособности системы автоматического регулирования является ее устойчивость. Под устойчивостью понимают свойство системы восстанавливать состояние равновесия, из которого она была выведена под влиянием возмущающих факторов, после прекращения действия этих факторов.

На практике для определения устойчивости САР используют критерии устойчивости, т.е. правила, с помощью которых можно определить, устойчива система или не, не прибегая к решению дифференциальных уравнений.

Алгебраический критерий (Рауса-Гурвица) позволяет судить об устойчивости замкнутой системы по коэффициентам ее характеристического уровня, которым является знаменатель передаточной функции. Необходимые и достаточные условия устойчивости определяются различными соотношениями коэффициентов в зависимости от порядка системы.

Критерий устойчивости Михайлова основан на связи характера переходного процесса системы с амплитудой и фазой вынужденных колебаний, устанавливающих в системе при синусоидальном воздействии. Анализ устойчивости системы этим методом сводится к построению по характеристическому многочлену замкнутой системы (знаменатель передаточной функции) комплексной частотной функции, по виду которой можно судить об устойчивости.

Критерий устойчивости Найквиста позволяет судить об устойчивости замкнутой системы САР по амплитудно-фазовой характеристике. Замкнутая система будет устойчива в том случае, если устойчива замкнутая система и ее амлитудно-фазовая характеристика не охватывает точку с координатами (-1, j0), называемую критической. При отсутствии местных обратных связей разомкнутая система всегда устойчива, если состоит из устойчивых звеньев. При наличии местных обратных связей система может оказаться неустойчивой в разомкнутом состоянии.

Устойчивость по логарифмическим частотным характеристикам определяют с использованием критерия устойчивости Найквиста. Замкнутая система устойчива, если на частоте ω, для которой φ=-π, ордината ЛАЧХ разомкнутой системы отрицательна, т.е. L(ω)

Общие принципы построения систем автоматики

1. Основные понятия систем автоматизации

2.. Основные виды автоматизации.

3. Классификация систем автоматизации

1. Бородин И. Ф., Кирилин Н. И. Основы автоматики и автоматизация производственных процессов. М., Колос, 1977. 10-19

2. Автоматика и автоматизация производственных процессов /И. И. Мартыненко, Б. Л. Головинский, Проценко, Т. Ф. Резниченко.-М.: Агропромиздат, 1985.-335 с., ил. — (Учебники и учеб. пособия для высш. с.-х. учеб. заведений).23-29

3. Бабиков М. А., Косинский А. В. Элементы и устройства автоматики. Учеб. пособие для студентов втузов. М., «Высшая школа», 1975 11-24

4. Бохан Н. И., Фурунжиев Р. И. Основы автоматики и микропроцессорной техники: Учеб. Пособие. – Мн.: Ураджай, 1987. – 376 с.

Ключевые понятия и термины: Элемент автоматики, САУ, САР

Для того чтобы машина могла выполнять необходимые операции в технологическом процессе, ею нужно управлять, то есть осуществлять пуск, остановку, изменять режим работы, положение рабочих органов и выполнять другие операции управления и контроля путем воздействия на органы управления машины, механизма. Если управление осуществляется человеком, оно называется ручным, если техническим средством – автоматическим.

Человек, как звено САУ считался до недавнего времени совершенным. Однако, успешное функционирование многих производственных процессов, машин и сложных устройств в настоящее время требует такого быстродействия и точности управления, которые уже не под силу человеку — оператору из за ограниченных его физических возможностей, таких как физическая сила, быстрота реакции, тяжелые окружающие условия, например высокая температура, наличие вредных излучений и т. д. Вот некоторые серьезные причины, характеризующие человека, как слабое звено в системе регулирования.

1. Запаздывание реакции человека в среднем составляет 0,3 с и практически исключает ручное управление в высокоскоростных устройствах. Так при управлении устройством в прокатных станах при скорости выхода проката в 10-30 м/с, время, которое требуется оператору для обнаружения отслоения толщины полосы от заданной, слишком велико, чтобы воздействовать на соответствующие корректирующие устройства.

2. При длительном, даже не очень сложном алгоритме управления, физическая усталость оператора значительно снижает качество работы системы в целом, а часто приводит и к ее отказам в работе.

Для осуществления автоматического управления техническим процессом создается система, включающая управляемый объект и управляющее устройство, или автоматический регулятор, состоящий из средств автоматики и телемеханики.

1. Основные понятия систем автоматизации

Элементом автоматики называется часть устройства автоматической системы, которая выполняет самостоятельные функции в качественных или количественных преобразований физических величин.

Рис.2 Элемент автоматики

А) без возмущающего воздействия;

Б) с внешним возмущающим воздействием

Точка автоматической системы или устройства, к которой приложено рассматриваемое воздействие, называется Входом x(t), а та точка, в которой наблюдается эффект, вызванный рассматриваемым воздействием – Выходом y(t). F(t) называется Внешним воздействием т. е. воздействие внешней среды, а под Внутренним понимается воздействие одной части автоматической системы на другую в системе автоматического управления. Возмущающим считают воздействие, которое не предусмотрено алгоритмом управления. На практике возмущающие воздействие ухудшает или нарушает работу системы автоматического управления.

Простые и сложные средства автоматики состоят из отдельных связанных между собой элементов.

Чувствительный элемент, или измерительное устройство, измеряет действительное значение Управляемой величины У (T) и преобразует его в однозначно соответствующую величину У1t, удобную для сравнения с задающей величиной G1(T). Если чувствительный элемент создает электрический или пневматический сигнал, то его называют Первичным преобразователем.


Преобразующий элемент служит для преобразования сигналов в удобный вид и иногда объединяется в одно целое с датчиком или с другим элементом для дальнейшего использования.

Задающий элемент формирует задающее воздействие G(T), которое определяет необходимое значение управляемой величины, и преобразует его в однозначно соответствующую величину G1(T), удобную для сравнения с величиной Y1(T).

В качестве задающего элемента могут использоваться различные кулачковые механизмы, функциональные потенциометры, перфокарты, магнитные пленки, профильные диаграммы и т. п. Иногда задающий элемент конструктивно объединяется в одно целое с измерительным и сравнивающим элементом.

Сравнивающий элемент в наиболее распространенном виде измеряет разность сигналов (ошибку) Х(T)=G1(T) – у1(T). В сравнивающем элементе может происходить и суммирование сигналов. Операции алгебраического суммирования на схемах автоматики обозначаются условными знаками (рис. 1.4). В качестве сравнивающих элементов могут использоваться потенциометры, механические дифференциалы и сельсинные пары в трансформаторном режиме для сравнения угловых перемещений, устройства на резисторах для сравнения и суммирования электрических напряжений, токов и т. п.

Усилительный элемент усиливает сигнал рассогласования Х(T) до величины, достаточной для приведения в действие исполнительного элемента, В усилительном элементе происходит увеличение сигнала за счет получения энергии извне. В системах автоматического управления чаще всего используются электрические (электронные, релейные, электромагнитные, магнитные, полупроводниковые и др.), гидравлические и пневматические усилители. Последние имеют высокие коэффициенты усиления по мощности и выполняют одновременно роль исполнительных элементов (серводвигателей, сервомеханизмов).

Исполнительный элемент вырабатывает и подает на регулирующий орган объекта управления управляющее воздействие И(T). По виду используемой энергии исполнительные элементы разделяют на электрические (электродвигатели постоянного и переменного тока, однооборотные электрические исполнительные механизмы и др.), гидравлические и пневматические (серводвигатели, характеризующиеся большими усилиями, быстродействием и высокой точностью).

Объекты управления – это различные технические устройства, энергетические и силовые установки, транспортные средства, отдельные механизмы устройств и т. д.

Корректирующий элемент, или местная обратная связь,– это специальные устройства, вводимые в систему для улучшения качества управления.

Главная обратная связь – это связь между выходом системы и входом, образующая замкнутый контур управления.

На объект управления кроме управляющих входных воздействий И(T) влияют и различные внешние возмущающие воздействия F(T), или возмущения (рис. 1), вызывающие изменения управляемой, или регулируемой, величины У(T) (выходная величина).

Для борьбы с возмущениями объект снабжается регулирующим органом (РО), воздействуя на который вручную или автоматически, можно изменять управляемую величину, компенсируя нежелательные изменения, вызванные влиянием возмущений.

Возмущающие и задающие воздействия делятся на внешние и внутренние. Внешнее – это воздействие на автоматическую систему внешней среды или устройств, не являющихся частью этой системы. Внутреннее – это воздействие одной части системы на другую.

Управляемым объектом Называют устройство, которое непосредственно осуществляет технологический процесс, нуждающийся в оказании специально организованных воздействий извне для выполнения его алгоритма.

Автоматическое управляющее устройство Осуществляет воздействие на управляемый объект в соответствии с алгоритмом управления

Алгоритм функционирования — это совокупность правил, предписаний или математических зависимостей, определяющих правильное выполнение технологического процесса в каком-либо устройстве. Он составляется на основании технологических, экономических и других требований без учета динамических искажений.

Алгоритм управления — это совокупность, предписаний, определяющих характер управляющих воздействий на объект с целью осуществления им заданного алгоритма функционирования с учетом динамических свойств системы.

Программное управление – это, алгоритм функционирования при котором выходная величина объекта изменяется по заранее заданной программе. Различают системы с временным и пространственным программным управлением (искусственный рассвет, системы с программным управлением).

Представим наиболее общий случай построения систем автоматического управления, содержащий максимум элементов (рис. 1), где ЗЭ – задающий элемент, СЭ – сравнивающий элемент, ЧЭ – измерительный (чувствительный) элемент, ПЭ – преобразующий элемент, УЭ – усилительный элемент, ИЭ – исполнительный элемент, ОУ – объект управления, КУ – местная обратная связь, ГОС – главная обратная связь.

Рис. 1 Система автоматического управления в общем виде

2.. Основные виды автоматизации.

Рис. 2 Основные виды автоматизации

В зависимости от функций, выполняемых специальными автоматическими устройствами, различают следующие основные виды автоматизации:

1.Автоматический контроль, в который, в свою очередь, входят:

А) Автоматическая сигнализация – служит для оповещения персонала о наличии, характере и месте нарушения или достижения предельных значений параметров технологического процесса (ТП). К сигнальным устройствам относятся лампы, звонки, сирены, специальные мнемонические указатели и др.

Б) Автоматическое измерение – позволяет измерять и передавать на специальные приборы значения контролируемых параметров ТП и режимов работы машин и агрегатов.

Каждый электрик должен знать:  МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ПОСТОЯННЫХ ТОКОВ Основные определения

В) Автоматическая сортировка – осуществляет идентификацию и разделение продукции по физико-механическим признакам: размеру, весу, твердости, зрелости (сортирование зерна, картофеля, арбузов и т. д.).

Г) Автоматический сбор Информации о ходе ТП, видах, количестве и качестве выпускаемой продукции и т. д.

2. Автоматическая защита – это совокупность технических средств, реагирующих на анормальные и аварийные режимы протекания ТП с последующим его отключением, либо прекращением, либо автоматическим устранением неисправностей. Например: релейная защита электрические блокировки и автоблокировки в технологических линиях.

3. Дистанционные управление включает в себя методы и технические средства управления объектами на расстоянии включает в себя комплекс технических средств и методов по управлению объектами без участия.

4. Автоматическое управление включает в себя комплекс технических средств и методов по управлению объектами без участия обслуживающего персонала:

¨ пуск и останов основных установок;

¨ включение и отключение вспомогательных устройств;

¨ обеспечение безаварийной работы;

¨ соблюдение требуемых значений параметров в соответствии с оптимальным ходом технологического процесса.

По Степени автоматизации различают следующие ее виды: частичную, комплексную и полную.

Частичная автоматизация – охват отдельных производственных операций или установок, не освобождая человека от участия в процессе, но облегчая его труд (раздача кормов на ферме).

Комплексная автоматизация – означает автоматическое выполнение всех операций при участии оператора.

Полная автоматизация – в отличие от комплексной без участия человека при выборе и согласовании режимов работы линий. Оператор лишь следит и перестраивает на новые производственные задачи.

САУ называется система, выполняющая некоторую цель при помощи переработки и преобразования доступной ей информации о внутренних и внешних условиях своей работы в вектор И обеспечивающая требуемую функциональную связь между вектором И вектором состояния .

САР называется система, служащая для обеспечения требуемой функциональной связи между векторами И посредством их сравнения. Согласно этому, САР рассматривается как составная часть более широкого понятия САУ.

3. Классификация систем автоматизации

Классификация автоматических систем управления представлена на рис. 3 и они классифицируются по:

? взаимодействию регулятора и объекта;

В зависимости от алгоритма функционирования автоматические системы управления подразделяют на:

По алгоритму функционирования

Стабилизирующие системы. Автоматическая система управления называется стабилизирующей, если алгоритм функционирования содержит предписание поддерживать значение выходной величины постоянным, т. е. y(t) = const. Различают статические и астатические системы регулирования.

Рис. 2 Классификация автоматических систем управления

Примером стабилизирующей автоматические системы регулирования может быть регулирования уровня воды в котле паровой машины (регулятор И. И. Ползунова).

Управляемым объектом в данной системе является котел 1, в котором необходимо поддерживать уровень воды Н (управляемая величина) постоянным, измерительным элементом – поплавок 2, регулирующим органом – заслонка 3, внешним возмущающим воздействием – изменение количества отбора пара из котла Q2.

Рис.3 — Регулирования уровня воды в котле паровой машины

Кроме этого примерами стабилизирующих автоматических систем регулирования являются:

? система стабилизации частоты вращения вала паровой машины (регулятор Дж. Уатта);

? автоматическая система регулирования температуры в сушильной камере;

? система стабилизации напряжения генератора постоянного тока;

? система регулирования температуры электрообогреваемых ковриков для обогрева поросят-сосунов;

? автоматический регулятор загрузки молотилки зерноуборочного комбайна (АРМЗ).

Стабилизирующие системы автоматического регулирования (САР) или управления (САУ) при действии управляющих и возмущающих воздействий принято подразделять на статические и астатические в зависимости от наличия в них ошибки в установившемся состоянии.

Предел, к которому стремится ошибка с течением времени, называется установившейся ошибкой системы

Если все внешние воздействия (задающие и возмущающие) с течением времени стремятся к постоянным значениям, установившаяся ошибка называется статической.

Свойства статических САР можно рассмотреть на примере системы регулирования уровня воды в емкости (рис. 4 а, в). Поплавок 1, контролирующий значение уровня H в резервуаре, связан рычагами 4 с заслонкой 3, регулирующей приток жидкости в резервуар. Если Q1=Q2, то в системе устанавливается равновесие H = соnst; при определенном положении вентиля 5, если изменить расход жидкости (ввести возмущение) поворотом вентиля 5, то поплавок 1, опускаясь, переместит регулирующую заслонку 3 и увеличит приток жидкости Q1 в резервуар. Если теперь Q2 сохранить на данном уровне, то равновесие наступает при новом значении уровня и положении заслонки 3. С увеличением Q2 от Q2мин до Q2макс регулируемый параметр Н изменяется от Hмах до Hmin (рис. 4, в).

Система называется астатической по отношению к данному внешнему воздействию, если составляющая статической ошибки, обусловленная им, равна нулю.

Так, при Xg = 0 САР является астатической по отношению к задающему воздействию. Понятия астатизма относятся к установившемуся состоянию, к какому-либо воздействию.

Система автоматического регулирования уровня воды в баке при следующем исполнении из статической превращается в астатическую (рис. 4, б, г). В этой системе при изменении положения вентиля 5 поплавок 1, опускаясь, замыкает средний контакт с верхним или нижним контактами 7, и двигатель вращается до тех пор, пока контакты не разомкнутся. Контакты размыкаются только при достижении уровнем жидкости своего прежнего значения (с учетом зоны нечувствительности, обусловленной расстоянием между контактами). Следовательно, ошибка в системе должна быть равной нулю. Для астатической системы , т. е. скорость изменения отклонения выходной величины пропорциональна отклонению входной величины. Поэтому астатический закон регулирования называют скоростным.

Рис. 4 Статическая и астатическая системы управления.

Для оценки отклонения служит коэффициент (степень) неравномерности выходной величины, или статическая ошибка.

И коэффициент статизма

А с учетом нечувствительности системы характеристика управления выражается следующим образом:

Если во всем диапазоне управления величины и Кст=0, то такое управление называется астатическим, а автоматическая система – астатической

Равновесие системы наступает при различных значениях регулируемой величины, которым соответствует определенное положение регулирующего органа

Равновесие системы наступает всегда при одном и том же значении регулируемой величины

Любому возмущения f соответствует нулевое значение статической ошибки

Каждому значению возмущения f соответствует свое значение статической ошибки или регулирующего параметра

Одному и тому же значению регулируемой величины соответствует различные положение регулирующего органа

Адаптивные системы – могут изменять свои параметры и структуру. Адаптивные системы с изменением значений параметров называют самонастраивающимися, а с изменением структуры управления – самоорганизующимися

Следящая система предназначена для изменения управляемой величины в зависимости от значения (или в соответствии со значением) неизвестной заранее переменной величины на входе автоматической системы. К следящим системам относятся автоматические системы вождения тракторов и самоходных машин по следу маркера; системы согласования вращения валов; системы поиска экстремума (определения знака dy/dx).

Программные системы предназначены для изменения регулируемой величины g по известному закону в функции времени t или какой-либо другой величины z:

Параметрические программы могут зависеть не только от одной, но и от нескольких величин –Z1, Z2, Z3 (пространственное программирование).

Примеры программных систем: регулирования температуры в сушильном шкафу, система программного управления скреперными установками для удаления навоза и др.

По алгоритма управления

В Разомкнутых автоматических системах выходная величина объекта y(t) не измеряется, т. е. отсутствует контроль состояния объекта. Следовательно, в этих системах отсутствует обратная связь между выходом объекта и входом управляющего устройства. Разомкнутые системы пригодны лишь при достаточно высокой стабильности ее параметров и невысоких требованиях по точности (системы сигнализации контроля, торможения, торговые автоматы).

В Замкнутых автоматических системах управляющее воздействие u(t) формируется в непосредственной зависимости от управляемой величины y(t). Поэтому они называются также системами с обратной связью или с управлением по отклонению.

Кроме разомкнутых и замкнутых систем применяются и комбинированные системы автоматического управления, объединяющие замкнутую систему управления по отклонению и разомкнутую систему по внешнему возмущению.

Исторически первым был предложен принцип управления По отклонению (принцип Ползунова) рисунок 5. Основная задача любой САУ состоит в выполнении равенства с той или иной степенью точности, т. е. при работе САУ возникает ошибка или отклонение . При идеальной работе САУ для всех моментов времени. Для реальных систем при условии задача может заключаться лишь в уменьшении этой ошибки до допустимого значения. В общем случае такие системы должны иметь задающий, чувствительный и сравнивающий элементы.

Рис. 5 — Принцип управления по отклонению

Принцип управления по возмущению (компенсация) (рис. 6) называют принципом Понселе-Чиколева (по имени французского и русского ученых). Суть его заключается в следующем: для компенсации вредного влияния какого-либо возмущения f необходимо измерить это возмущение и в зависимости от результатов измерения осуществить управляющее воздействие на объект, обеспечивающее изменение управляемой величины по требуемому закону или поддержание ее на заданном уровне формировании управляющего воздействия с компенсацией действия на объект.

Рис. 6 Принцип управления по возмущению

Для реализации этого принципа в состав САУ должны входить (рис. 6): чувствительный элемент и исполнительный механизм, а между ними могут быть различные промежуточные элементы (усилители, преобразователи и др.) Покажем это на блок-схеме:

По закону управления

Законом регулирования U=f(x) называется зависимость между управляющим воздействием и отклонением действительного значения регулируемого параметра от заданного значения без учета инерционности элементов. По закону управления САУ подразделяются на:

— пропорционально — интегральные – дифференциальные.

Пропорциональный закон (П) регулирования характеризуется пропорциональной зависимостью между выходной и входной координатой (рис.7, а):

Интегральный закон (И) регулирования устанавливает пропорциональную зависимость между скоростью изменения регулирующего воздействия и ошибкой. При этом регулирующее воздействие получается пропорциональным интегралу от ошибки по времени (рис.7, б):

Рис. 7 Законы регулирования САУ

Пропорционально — интегральный (ПИ) закон объединяет два закона регулирования: пропорциональный и интегральный (рис.7, в), а выходная и входная величины связаны соотношением:

Регулирование по пропорционально — интегральному закону называется изодромным регулированием и сочетает в себе высокую точность от интегрального регулирования и большое быстродействие от пропорционального закона.

Пропорционально — интегрально – дифференциальный (ПИД) закон объединяет три закона регулирования и математически выражается (рис. 7, д):

По характеру управления

В процессе работы любой системы автоматического управления величины x (вход) и у (выход) изменяются во времени. Динамика процесса преобразования сигнала в звене описывается некоторым уравнением у = f(х) или экспериментально снятой характеристикой. По характеру динамических процессов системы делятся на непрерывные и дискретные.

Непрерывные системы – это системы, у которых в каждом звене непрерывному изменению входной величины соответствует непрерывное изменение выходной величины.

В качестве непрерывных систем можно привести : САР уровня воды в котле паровой машины, система стабилизации напряжения генератора постоянного тока, САР регулирования температуры в сушильном шкафу, САР температуры электрообогреваемых ковриков для обогрева поросят и др.

Дискретные системы – это системы, у которых хотя бы в одном звене при непрерывном изменении входной величины, выходная изменяется не непрерывно (импульсами, ступенями и т. п.). К ним относятся импульсные, релейные и цифровые системы.

Процесс преобразования непрерывной величины в дискретную называется квантованием (дроблением). Существуют три вида квантования:

? квантование по уровню соответствует фиксации дискретных уровней сигнала в момент пересечения кривой непрерывного сигнала линий равноотстоящих уровней, т. е. осуществляется в произвольные моменты времени (рис. 1.17 а).

? квантование по времени соответствует фиксации дискретных моментов времени, в которые уровни сигнала могут принимать произвольные значения (рис. 1.17 б).

? при квантовании по времени и уровню непрерывный сигнал заменяется дискретными значениями через равные промежутки времени, но при этом выделяется ближайший уровень непрерывного сигнала (рис. 1.17 в), В зависимости от характера квантования входных сигналов все дискретные элементы разделяются на импульсные, релейные, релейно-импульсные или цифровые.

Рис. 8 Дискретное управление

1. В зависимости от функций, выполняемых автоматическими устройствами автоматизация подразделяется на: автоматический контроль, автоматическую защиту, дистанционное управление и автоматическое управление.

2. Системы автоматизации классифицируются по: алгоритму функционирования; взаимодействию регулятора и объекта; принципу регулирования; закону управления, характеру управления.

Общие принципы построения систем автоматики

для студентов специальности I–53 01 07 «Информационные технологии

и управление в технических системах»

факультета заочного, вечернего и дистанционного обучения Содержание 1. Программа курса…………………………………………………………… 3 2. Литература………………………………………………………………….. 5 3. Общие методические указания……………………………………………. 5 4. Методические указания к изучению разделов программы……………… 7 5. Курсовая работа……………………………………………………………. 17 6. Приложение…………………………………………………………………

ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

1. Введение Общие сведения о локальных автоматических системах. Назначение и место локальных автоматических систем в управлении производственными процессами. Локальные системы как элементы сложных систем автоматического и автоматизированного управления. Классификация локальных автоматических систем и основные функции, выполняемые ими.

2. Основные элементы локальных автоматических систем 2.1. Измерительные элементы и датчики Первичные (измерительные) преобразователи электрических и неэлектрических величин: перемещения, скорости, ускорения, частоты вращения, температуры, давления, усилия и др.

Вторичные (нормирующие) преобразователи. Преобразователи с унифицированным аналоговым выходным сигналом, работающие по принципу силовой компенсации. Датчики с импульсным и цифровым выходом. Статические и динамические характеристики. Основные требования, предъявляемые датчикам, и соображения по их выбору.

2.2. Исполнительные элементы Электрические, гидравлические и пневматические исполнительные элементы, их сравнительная характеристика и области применения.

Статические и динамические характеристики исполнительных элементов.

Основные требования, предъявляемые к ним. Выбор типа исполнительного элемента по условиям эксплуатации, мощности, быстродействию, габаритам.

2.3. Усилители и преобразователи сигналов Усилители информационных сигналов. Обеспечение стабильности характеристик. Фазочувствительные выпрямители. Основные типы усилителей мощности и их сравнительная оценка. Статические и динамические характеристики усилителей. Выбор типа усилителя и его согласование с цепью управляющего сигнала и исполнительным элементом.

2.4. Автоматические регуляторы и агрегатные комплексы Промышленные автоматические регуляторы и их элементы. Приборы системы ГСП. Агрегатный принцип построения. Агрегатные комплексы технических средств, применяемые в локальных системах автоматики. Аппаратура комплексов АКЭСР, «Каскад». Комплекс технических средств для построения локальных информационно–управляющих систем – КТСЛИУС.

3. Анализ объектов управления Классификация объектов управления. Объекты с непрерывными и дискретными процессами. Возмущения и помехи, действующие на объект управления, их характеристики. Управляющие воздействия и их выбор. Анализ объектов управления и их математическое описание. Методы определения математических моделей. Определение статических и динамических математических моделей аналитическим методом. Экспериментальные методы определения математических моделей по временным (переходным) и частотным характеристикам.

4. Промышленные системы автоматического регулирования Основные особенности промышленных объектов и систем регулирования.

Особенности расчета и реализации промышленных систем регулирования.

Оценка точности регулирования и качества работы в переходных режимах.

Выбор закона регулирования и расчет параметров настройки регулятора по заданным требованиям к качеству регулирования. Локальные промышленные системы регулирования как подсистемы централизованного управления.

5. Следящие системы Функциональные схемы и основные элементы следящих систем. Основные требования и показатели качества работы.

Особенности выбора исполнительного электродвигателя и передаточного числа редуктора в электромеханических следящих системах. Выбор измерителя рассогласования.

Статический расчет следящей системы и определение требуемого порядка астатизма и коэффициента усиления. Ошибки по положению, скорости и ускорению и их связь с параметрами системы.

Анализ динамики следящих систем и синтез параметров корректирующих устройств. Типовые желаемые передаточные функции и частотные характеристики, определение их параметров по заданным требованиям к точности и качеству регулирования. Способы коррекции и методы синтеза корректирующих устройств. Реализация корректирующих устройств.

Методы повышения статической и динамической точности. Двухотсчет– ные измерители рассогласования. Следящие системы с комбинированным управлением. Частичная инвариантность, условия повышения порядка астатизма. Методы расчета следящих систем с комбинированным управлением.

6. Системы управления электроприводами Принципы построения систем управления электроприводами. Системы управления электроприводом с одним регулятором. Многоконтурные системы управления, построенные по принципу подчиненного регулирования. Методы расчета систем управления электроприводами. Методика приближенного расчета на технический оптимум. Расчет систем управления электроприводом методом типовых нормированных уравнений.

7. Системы программного управления Классификация систем программного управления. Программное управление в функции времени. Системы программно–логического управления. Системы циклового, позиционного и контурного программного управления положением. Структурные схемы и основные элементы систем программного управления. Внутренние и внешние запоминающие устройства и их функции.

Разработка алгоритмов и программ функционирования. Реализация устройств программного управления с применением микропроцессоров и микроЭВМ.

ЛИТЕРАТУРА

О с н о в н а я:

1. Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев А.В. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования. – М.: Машиностроение, 1985.

2. Основы проектирования следящих систем / Под ред. Н.А. Лакоты. – М.:

3. Расчет автоматических систем / Под ред. А.В. Фатеева. – М.: Высш.шк., 1973.

Д о п о л н и т е л ь н а я:

4. Горбачев А.Д. и др. Проектирование и надежность систем автоматики и телемеханики. –Мн.: Выш.школа, 1981.

5. Ахметжанов А.А., Кочемасов А. Следящие системы и регуляторы. – М.:

6. Михайлов О.П. Автоматизированный электропривод станков и промышленных роботов. – М.: Машиностроение, 1990.

7. Сафонов Ю.М. Электроприводы промышленных роботов. – М.: Энергоатомиздат, 1990.

8. Красовский А.Я., Хаджинов М.К. Расчет многоконтурных систем управления электроприводами. – Мн., БГУИР, 1996.

9. Наладка средств автоматизации и автоматических систем регулирования: Справочное пособие / Под ред. А.С. Клюева. – М.: Энергоатомиздат, 1989.

10. Руководство по проектированию систем автомагического управления / Под ред. В.А. Бесекерского. – М.: Высш. шк., 1983.

11. Промышленные приборы и средства автоматизации: Справочник / Под ред. В.В. Черенкова. – Л.: Машиностроение. 1987.

12. Автоматические приборы, регуляторы и вычислительные системы:

Справочное пособие / Под ред. Б.Д. Кошарского. – Л.: Машиностроение, 1976.

13. Коровин Б.Г. и др. Системы программного управления промышленными установками и робототехническими комплексами. – Л.: Энергоатомиздат, 1990.

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Целью изучения дисциплины «Локальные системы автоматики» является формирование у студентов знаний и навыков, позволяющих ориентироваться во всем многообразии решаемых задач автоматического управления объектами различной физической природы, а также различными технологическими процессами. Для этого они должны знать:

— принципы построения локальных автоматических систем;

— технические средства для их реализации: измерительные элементы и датчики различных физических величин, усилители и преобразователи сигналов, типовые автоматические регуляторы, исполнительные механизмы и устройства;

— методы анализа автоматических систем;

— способы коррекции и методы синтеза корректирующих устройств.

В процессе изучения дисциплины студенты должны научиться и уметь:

— проводить анализ объектов управления и определять их основные статические и динамические характеристики;

— определять математические модели объектов управления, функциональных узлов и элементов автоматических систем;

— проводить анализ точности и качества регулирования в переходных режимах работы;

— синтезировать корректирующие устройства, обеспечивающие заданное качество регулирования;

— самостоятельно применять теоретические положения при решении конкретных задач разработки и проектирования локальных автоматических систем.

Теоретической основой курса являются дисциплины «Теория автоматического управления», «Математические основы теории систем».

Курс тесно связан с дисциплинами «Электроника и микросхемотехника», «Элементы и устройства автоматики».

Курс «Локальные системы автоматики» изучается в 10-м семестре. Основой изучения курса является самостоятельная работа с рекомендованной литературой и выполнение курсовой работы.

В настоящее время отсутствует учебник и учебные пособия, полностью соответствующие программе данной дисциплины. Поэтому рекомендуется несколько источников, чаще всего из основной литературы. Однако изложение некоторых вопросов в основной литературе отсутствует или они более полно изложены в дополнительной литературе. Поэтому для изучения материала дисциплины желательна проработка как основных, так и дополнительных литературных источников.

Очные занятия предполагается проводить по наиболее важным и сложным разделам программы, указанным в таблице.

ды определения математических моделей

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ РАЗДЕЛОВ

ПРОГРАММЫ

Локальные автоматические системы являются основой автоматизации производственных процессов. Как и любая система управления, они представляют собой совокупность объекта управления, устройства управления и внешней среды. Действие системы управления направлено на обеспечение работы объекта в заданном режиме с заданными показателями качества при наличии дестабилизирующего влияния внешней среды. Непосредственно с объектом управления взаимодействуют элементы нулевого уровня, включающие в себя датчики и исполнительные механизмы. Измерительная информация с контура нулевого уровня поступает в элементы первого уровня, в качестве которых могут выступать автоматические регуляторы отдельных процессов. Технические средства нулевого и первого уровней иерархии называют локальными ввиду сравнительной ограниченности решаемых ими задач управления, а также их размещения на объектах. Соответственно автоматические системы, состоящие из элементов нулевого и первого уровней иерархии и выполняющие функции регулирования и управления отдельными процессами и агрегатами, называют локальными системами автоматики. В иерархии систем управления они занимают нижний уровень и выполняют функции автономной стабилизации и регулирования отдельных технологических переменных, программного и программно–логического управления оборудованием, а также автоматического контроля и измерения. В сложных многоуровневых системах автоматического и автоматизированного управления локальные системы автоматики выполняют функции исполнительных устройств, реализующих воздействия на объект управления.

Приступая к изучению данного курса, необходимо четко представлять назначение и функции, выполняемые локальными системами автоматики, принципы их построения и основные требования, предъявляемые к ним. Следует понимать, что именно локальные системы автоматики осуществляют непосредственное управление объектом и реализуют требуемые управляющие воздействия. Без надежной и качественной работы локальных автоматических систем невозможно реализовать управление сложными технологическими агрегатами и установками, осуществить комплексную автоматизацию технологических процессов.

Вопросы для самопроверки 1. Какое место в иерархии систем управления занимают локальные автоматические системы?

2. Какие функции выполняют локальные системы автоматики?

3. Из каких функционально необходимых элементов состоят системы автоматического регулирования?

4. Какие системы относятся к локальным системам управления и почему?

5. Как классифицируются локальные системы автоматики?

6. Что такое следящая система?

7. Какие системы относятся к системам программного и программно– логического управления?

8. Приведите примеры локальных автоматических систем.

2. Основные элементы локальных автоматических систем При изучении этого раздела необходимо ознакомиться с выпускаемыми промышленностью элементами и устройствами, используемыми для построения автоматических систем: датчиками различных физических величин, усилителями, исполнительными устройствами. Для этих целей промышленностью выпускается ряд приборов и устройств, относящихся к системе ГСП (Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации), которые по своему назначению подразделяются на четыре группы:

— устройства получения и первичного преобразования информации;

— устройства передачи информации;

— устройства обработки информации;

— устройства использования информации.

ГСП основана на стандартных внутренних и внешних связях, рациональной структуре и конструктивных формах в блочно–модульном исполнении ее устройств. В изделиях ГСП обеспечивается информационная, функциональная, метрологическая, конструктивная и эксплуатационная совместимость, что позволяет на их основе создавать различные системы автоматического регулирования, используя блочно–модульный принцип построения. Информация по серийно выпускаемым датчикам, регуляторам, агрегатным комплексам приборов содержится в [9, 11, 12].

Требования к функциональным элементам локальных автоматических систем обычно не формулируются, а вытекают из общих требований к системе.

Это усложняет задачу их выбора и обоснования, так как необходимо одновременно учитывать многие свойства и показатели, иногда весьма противоречивые. Поэтому особое внимание необходимо уделить изучению основных показателей и характеристик приборов и устройств и четко представлять себе, какие из них являются основными, определяющими в каждой функциональной группе устройств для удовлетворения требований, предъявляемых к системе регулирования в целом. Это позволит технически грамотно и обоснованно выбрать такие элементы, которые наиболее полно удовлетворяют требованиям, предъявляемым к разрабатываемой системе.

[1, с. 303 – 495; 2, с. 78 – 156; 4, с. 27 – 44; 5, с. 14 – 60, 108 – 180;

9, с. 97 – 109; 11; 12].

Вопросы для самопроверки 1. Какие функции выполняют измерительные и нормирующие преобразователи?

2. Поясните принцип действия преобразователей, работающих по принципу силовой компенсации.

3. Какие основные особенности изделий ГСП?

4. Перечислите основные требования, предъявляемые к датчикам.

5. Какие приборы используются в качестве измерителей рассогласования следящих систем?

6. Дайте сравнительную характеристику и назовите области применения электрических, гидравлических и пневматических исполнительных механизмов.

7. Перечислите достоинства и недостатки транзисторных и тиристорных усилителей мощности.

8. Какие основные требования предъявляются к усилителям мощности, предварительным усилителям и преобразователям?

9. Что представляют собой агрегатные комплексы технических средств?

10. По каким параметрам должна обеспечиваться совместимость элементов и устройств для реализации агрегатного принципа построения автоматических систем?

11. Объясните сущность агрегатного принципа построения автоматических систем.

Объекты управления автоматических систем весьма разнообразны как по физической природе, так и по характеру изменения регулируемых величин. В качестве объектов управления могут выступить: двигатель, станок, робот– манипулятор, паровой котел, турбина, печь, аппарат химической промышленности, производственный участок, цех и др. Различны цели управления объектами и требования к качеству регулирования в установившихся и переходных режимах работы.


В любом объекте управления существуют определенные функциональные зависимости выходных величин объекта (регулируемых величин) от управляющих и возмущающих воздействий. Основная задача управления объектом состоит в том, чтобы исходя из целей управления определить оператор (или алгоритм) управления, обеспечивающий заданные требования к качеству регулирования, и синтезировать устройство управления для реализации этого оператора. Для решения этой задачи необходимо выявить возможные способы управления объектом и определить функциональные зависимости между регулируемыми величинами и возможными управляющими воздействиями и возмущениями. Основной задачей анализа объекта управления является получение его математических моделей, т.е. формализованного математического описания процессов, происходящих в объекте, и устанавливающего зависимости между регулируемыми переменными управляющими воздействиями и возмущениями.

Математические модели могут быть представлены в различной форме:

дифференциальные или операторные уравнения, передаточные функции, структурные схемы и др. При определении математических моделей всегда необходимо учитывать, с одной стороны, противоречивые требования полноты и точности модели, а с другой стороны – ее сложность и громоздкость, удобство пользования. Желательно получить математическую модель, максимально простую и наглядную, описывающую работу объекта с достаточной точностью. Для этого необходимо освоить различные методы определения математических моделей, научиться определять модели аналитически, уметь поставить эксперимент и определить модель по экспериментальным данным, а также оценить адекватность полученной модели реальному объекту.

Вопросы для самопроверки 1. Что собой представляют объекты управления? Приведите примеры.

2. В чем отличие управляющих и возмущающих воздействий?

3. Из каких соображений выбираются управляющие воздействия?

4. Что такое математические модели и в какой форме они могут быть представлены?

5. Чем отличаются статические и динамические математические модели?

6. Как из динамической математической модели получить статическую?

7. Какие характеристики объекта называются статическими и какие параметры можно по ним определить?

8. Перечислите последовательность действий при аналитическом определении математической модели.

9. Напишите передаточные функции типовых динамических звеньев и изобразите вид их переходных и частотных (амплитудных и фазовых) характеристик.

10. Как определить вид и параметры передаточной функции по амплитудной и фазовой частотным характеристикам?

4. Промышленные системы автоматического регулирования Любую промышленную систему автоматического регулирования можно представить в виде трех основных элементов: объекта управления (технологического процесса), устройства управления (регулятора) и внешней среды, находящихся вo взаимодействии между собой. Регулируемыми переменными в промышленных объектах являются различные физические величины, такие как температура, давление, расход вещества, частота вращения, скорость перемещения, положение, усилие, химический состав, уровень жидких и сыпучих материалов, влажность и др. Несмотря на большое разнообразие промышленных объектов и локальных систем управления ими? набор алгоритмов функционирования этих систем ограничен, что создало предпосылки к разработке и выпуску промышленностью типовых технических средств, пригодных для использования в различных отраслях промышленности.

Локальные системы управления промышленными объектами строятся по типовым структурам с использованием типовых регуляторов и устройств, серийно выпускаемых промышленностью. В основу построения таких систем заложен агрегатный принцип. Поэтому основной задачей при их разработке и расчете является выбор типа регулятора, определение закона регулирования (одного из типовых, реализуемых регулятором) и расчет параметров его настройки.

Для успешного решения задач автоматизации технологических процессов необходимо знать особенности промышленных объектов, методику выбора закона регулирования и расчета параметров настройки регулятора для различных объектов: статических (с самовыравниванием), астатических, при наличии запаздывания.

Следует иметь в виду, что реальные законы регулирования, реализуемые регуляторами, отличаются от идеальных. При расчетах передаточную функцию реального регулятора обычно представляют в виде произведения передаточной функции идеального регулятора и балластного звена. Последнее представляет собой апериодическое звено первого или второго порядка, коэффициент передачи и постоянные времени которого зависят от реализуемого закона регулирования и параметров настройки регулятора.

Для простых объектов, описываемых типовыми передаточными функциями первого и второго порядков, в литературе по промышленным регуляторам приводятся рекомендации, расчетные соотношения, номограммы и графики для определения параметров настройки регулятора, обеспечивающего заданное качество регулирования. Следует познакомиться с ними и уметь ими пользоваться в практических расчетах.

[4, с. 110 – 172; 9, с. 72 – 96].

Вопросы для самопроверки 1. Перечислите основные особенности промышленных объектов.

2. Как реализуются промышленные системы автоматического регулирования?

3. Какие законы регулирования реализуются типовыми промышленными регуляторами?

4.Чем отличаются реально реализуемые законы регулирования от идеальных?

5. Что называется областью нормальной работы (ОНР) регулятора?

6. Как влияет чистое (транспортное) запаздывание на качество регулирования?

7. Какие законы регулирования можно использовать для статических и какие – для астатических объектов?

8. Из каких соображений выбирается закон регулирования?

9.Чем определяется точность регулирования в установившемся режиме работы?

10. Как влияют коэффициент передачи и постоянные времени регулятора на точность и качество регулирования в переходных режимах?

Следящие системы являются наиболее распространенным классом систем автоматического регулирования. В то же время сами они весьма разнообразны и классифицируются по ряду признаков. Наиболее распространенный класс следящих систем – электромеханические, осуществляющие линейные и угловые перемещения различных механизмов. Объектом управления в таких системах является исполнительный двигатель совместно с приводимым в движение механизмом (нагрузкой).

Приступая к изучению этого раздела, необходимо ознакомиться с классификацией следящих систем, изучить основные требования, предъявляемые к ним, и методику выбора основных функциональных элементов: исполнительного двигателя, механической передачи (редуктора), усилительно–преобразо– вательных элементов, измерителя рассогласования (датчика). Следует иметь в виду, что требования к отдельным функциональным элементам отдельно не формулируются, а вытекают из общих требований к следящей системе и условий ее работы. Это усложняет задачу выбора элементов, которые необходимо рассматривать с позиций их влияния на качественные показатели и характеристики системы. При этом необходимо четко представлять, какие требования и показатели являются основными, доминирующими для каждой функциональной группы элементов, а какие – второстепенными.

Нужно повторить разделы анализа и синтеза автоматических систем из курса «Теория автоматического управления» и научиться применять их на практике. Особое внимание следует уделить приближенным инженерным методам анализа и синтеза, позволяющим, хотя и приближенно, но достаточно просто оценивать точность и качество регулирования в переходных режимах работы.

Точность следящих систем обычно оценивается по установившейся или максимальной ошибке слежения, которая определяется как методической, так и инструментальной ошибкой элементов.

Методическая ошибка зависит от структуры системы, порядка астатизма, закона изменения управляющего и возмущающих воздействий, места их приложения. Эту ошибку можно уменьшать путем изменения структуры системы (повышение порядка астатизма, применение комбинированного управления).

Инструментальная ошибка определяется погрешностями элементов системы (погрешность измерителя рассогласования, дрейф нуля усилителя, люфт редуктора и др.). Она не может быть компенсирована применением корректирующих устройств, и борьба с нею должна вестись лишь путем применения более совершенных и точных элементов.

Качество регулирования в переходных режимах работы (быстродействие, характер переходного процесса, величина максимального перерегулирования и другие показатели) зависит от параметров системы (коэффициента усиления, постоянных времени) и может изменяться с помощью корректирующих устройств. Следует изучить достоинства и недостатки различных видов устройств, методы их расчета, возможные схемные реализации в виде пассивных и активных электрических цепей, а также условия согласования с элементами системы.

Одним из наиболее эффективных способов получения высокоточных, прецизионных следящих систем является использование комбинированного управления. Следует изучить вопросы теории инвариантности, уяснить принцип комбинированного управления и возможности его практической реализации. Необходимо изучить методы расчета систем с комбинированным управлением и уметь применять их на практике.

[1, с. 123 – 174; 2, с. 157 – 254; 3, с. 69 – 116; 10, с. 39–61].

Вопросы для самопроверки 1. Какие автоматические системы относятся к следящим?

2. Какой принцип автоматического управления используется в следящих системах?

3. Перечислите и объясните назначение основных функциональных элементов следящей системы.

4. Как определить необходимую мощность исполнительного двигателя для следящей системы?

5. Из каких соображений выбирается передаточное число редуктора?

6. Как проверить правильность выбора исполнительного двигателя?

7. Как проверить двигатель на нагрев?

8. За счет чего повышается точность при использовании двухотсчетных измерителей рассогласования?

9. Для чего нужен грубый отсчет?

10. Какие требования предъявляются к усилителям мощности следящих систем?

11. Приведите сравнительную оценку транзисторных и тиристорных усилителей мощности.

12. Как определить установившуюся методическую ошибку следящей системы?

13. Что такое коэффициенты ошибок и как их определить по передаточной функции по ошибке K eg ( p) ; по ЛАХ разомкнутой системы L(w) ?

14. Какими способами можно повысить точность следящей системы (статическую, динамическую)?

Ваша жизнь поменяется.

15. Перечислите достоинства последовательных корректирующих устройств и корректирующих обратных связей.

16. В чем заключается принцип комбинированного управления?

17. Какие системы называются инвариантными?

18. Напишите условие абсолютной инвариантности следящей системы с комбинированным управлением.

19. Почему нельзя реализовать условие абсолютной инвариантности?

20. Что такое частичная инвариантность?

21. Как определить вид передаточной функции компенсирующей цепи и ее параметры, обеспечивающие повышение астатизма системы на один порядок, на два порядка?

22. Как влияет комбинированное управление на устойчивость?

23. Какими методами можно рассчитывать системы с комбинированным управлением? В чем их суть?

6. Системы управления электроприводами Электроприводы являются одним из наиболее распространенных объектов автоматических и автоматизированных систем управления.

Совершенствование технологического оборудования и технологии обработки приводит к повышению требований к точности регулирования частоты вращения и угла поворота (перемещения) при изменении нагрузки в широком диапазоне.

В замкнутых системах автоматического управления электроприводами, содержащих один общий регулятор, повышение качества регулирования достигается за счет введения последовательных корректирующих устройств и корректирующих обратных связей по скорости, ускорению, току якоря (токовая отсечка). Однако получить требуемое высокое качество регулирования в таких системах крайне затруднительно, так как выходной сигнал регулятора зависит сразу от нескольких переменных, что делает практически невозможным регулирование одной переменной независимо от других, усложняет расчет и настройку системы управления.

Современные системы управления электроприводами строятся в виде многоконтурных систем подчиненного регулирования с последовательным включением регуляторов: тока, частоты вращения, положения. При этом задающим сигналом регулятору тока является выходной сигнал регулятора скорости. В свою очередь регулятор скорости получает задание от регулятора положения.

Такое построение системы управления позволяет вести раздельное регулирование переменных и раздельную настройку контуров, начиная с внутреннего токового, что упрощает расчет и настройку системы и позволяет получить высокое качество регулирования.

В литературе по электроприводам расчет параметров настройки регуляторов рекомендуют вести на «технический оптимум», когда каждый контур стремятся свести к эквиваленту колебательного звена с коэффициентом затухания x = 0,7. При этом для упрощения расчетов пренебрегают обратной связью по ЭДС двигателя, а при расчете внешних контуров полученные передаточные функции колебательных звеньев для внутренних контуров заменяют передаточными функциями инерционных звеньев первого порядка. Следует уяснить, что эта методика расчета является приближенной, а полученные параметры настройки регуляторов, обеспечивая локальные оптимумы для отдельных контуров, не будут оптимальными для системы в целом.

Лучшие результаты дает методика расчета методом типовых нормированных уравнений, основные положения которой изложены в [8]. Она позволяет произвести расчет систем подчиненного регулирования без дополнительных упрощений, причем рассчитанные параметры настройки регуляторов обеспечивают не локальные оптимумы для отдельных контуров, а глобальный оптимум системы регулирования в соответствии с качественными показателями, определяемыми выбранным нормированным уравнением. Необходимо научиться определять коэффициенты желаемого характеристического уравнения, выбирать законы регулирования и вычислять параметры настройки регуляторов, обеспечивающие получение нужных коэффициентов характеристического уравнения, а следовательно, и заданного качества регулирования.

[6, с. 129 – 147; 7, с. 63 – 78; 8, с. 3 – 26].

Вопросы для самопроверки 1. Какие системы называются системами подчиненного регулирования?

2. В чем достоинства систем подчиненного регулирования?

3. Какие переходные процессы считаются технически оптимальными?

4. Какова должна быть передаточная функция замкнутой системы для получения технически оптимального переходного процесса?

5. Какие недостатки присущи методу расчета на технический оптимум?

6. Какие уравнения называются нормированными?

7. Как определить коэффициент нормирования?

8. Как вычислить коэффициенты желаемого характеристического уравнения?

9. Как вычислить параметры настройки регуляторов методом типовых нормированных уравнений?

К системам программного управления (СПУ) относятся такие системы, в которых управляющее воздействие изменяется по заранее заданному закону– программе. Основными составными частями систем программного управления являются: программное устройство, система воспроизведения программы (следящая система) и объект управления.

По способу задания программы СПУ подразделяются на аналоговые и дискретные.

В аналоговых СПУ информация представляет непрерывную функцию времени, что обеспечивает непрерывное воздействие на объект. Формирование программы осуществляется с помощью копиров (кулачков) или в виде записи непрерывных функций времени на программоносителях (магнитных лентах).

В дискретных СПУ управляющая информация записывается в виде ряда дискретных точек, а требуемые промежуточные значения формируются с помощью интерполяторов. Программные устройства таких систем представляют собой цифровую часть системы. Программы записываются на перфолентах, магнитных лентах и дисках, ПЗУ, ППЗУ и других носителях для записи цифровой информации.

Каждый электрик должен знать:  Электрический счетчик CO-505 обзор, инструкция, подключение

Устройства воспроизведения программы в этих СПУ представляют собой высокоточные цифровые или аналоговые следящие системы. Дискретные СПУ получили наибольшее распространение и используются в различных отраслях производства (станки с ЧПУ, автоматические линии, роботы, гибкие производственные модули и др.).

Формирование управляющих воздействий в СПУ может осуществляться в функции времени или в функции координат объекта: положения – цикловые системы, перемещения – позиционные системы, перемещения и его производные (скорости, ускорения) – контурные системы. Последние являются наиболее сложными как с точки зрения алгоритма работы, так и с точки зрения требований, предъявляемых к системе управления. Они нашли широкое применение в станках с ЧПУ, промышленных роботах, ГПМ, ГПС и др.

При изучении этого раздела необходимо усвоить принципы построения систем программного управления, способы формирования и задания управляющих программ, возможные варианты реализации управляющих устройств:

с жесткой логикой (NC – numerical control) и гибкой логикой (CNC – computer numerical control).

Разработка алгоритмов функционирования и создание управляющих программ является одним из наиболее трудоемких и ответственных этапов создания СПУ.

Следует изучить правила кодирования управляющей информации для систем ЧПУ и ее записи на программоносителях. Особое внимание следует уделить изучению основных функциональных элементов СПУ, выполняемых ими функций и основных требований, предъявляемых к ним.

Вопросы для самопроверки 1. Какие автоматические системы относятся к системам программного управления? Приведите примеры.

2. Из каких основных частей состоит любая СПУ?

3. Поясните принцип построения и особенности работы СПУ с управлением по положению (цикловых).

4. Перечислите достоинства и недостатки цикловых СПУ.

5. Какие СПУ называются позиционными?

6. В чем заключаются особенности работы контурных СПУ?

7. В чем отличие датчиков положения от датчиков перемещения?

8. В чем отличие СПУ с постоянной структурой (NC) от систем с программной реализацией алгоритмов управления (CNC)?

9. Что представляют собой внутренние и внешние запоминающие устройства СПУ? Какие функции они выполняют?

КУРСОВАЯ РАБОТА

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ ПОЗИЦИОННАЯ

СЛЕДЯЩАЯ СИСТЕМА

1. Исходные данные Рассчитываемая электромеханическая позиционная следящая система осуществляет линейное или угловое перемещение объекта (производственного механизма), характеризующегося следующими параметрами:

– при линейном перемещении:

m н – масса нагрузки;

Fн – сила сопротивления движению;

l н – величина перемещения;

Vн – скорость движения;

V – ускорение движения;

– при угловом перемещении:

J н – момент инерции нагрузки;

M н – статический момент сопротивления;

W н – угловая скорость движения;

W – угловое ускорение движения.

Требования к качеству регулирования:

e max – максимальная ошибка в режиме движения;

e 0 – максимальная ошибка в режиме позиционирования (отработки фиксированных перемещений);

s – максимальное перерегулирование в переходном процессе;

t пп – время переходного процесса;

М – показатель колебательности.

Параметры нагрузки и требования к качеству регулирования по вариантам задания приведены в табл. 1 и 2. Номер варианта задания определяется суммой двух последних цифр шифра студента.

2.1. Составить функциональную схему и описать принцип действия следящей системы.

2.2. Произвести выбор основных функциональных элементов (исполнительный двигатель с редуктором, усилитель мощности, датчик рассогласования, усилительно-преобразовательные устройства).

2.3. Определить статические и динамические математические модели элементов следящей системы.

2.4. Составить структурную схему и произвести статический расчет.

2.5. Рассчитать динамику системы (оценить качество регулирования) и провести синтез корректирующих устройств (при необходимости коррекции системы).

2.6. Выбрать схемы и рассчитать параметры корректирующих устройств.

2.7. Проверить, удовлетворяет ли скорректированная следящая система требуемому качеству регулирования. Сделать выводы.

3. Методические указания к выполнению курсовой работы Курсовая работа оформляется в виде пояснительной записки объемом 20…30 страниц и графического материала на 2 листах формата А3. В пояснительной записке должны быть отражены все пункты задания, начиная с принципа действия и кончая анализом скорректированной системы. Материал должен быть изложен последовательно, с необходимыми обоснованиями (особенно при выборе элементов) и ссылками на источники, откуда заимствуются исходные данные, расчетные соотношения и методика расчета. Графический материал должен содержать структурную схему скорректированной системы, принципиальные электрические схемы и частотные характеристики корректирующих устройств, динамические характеристики системы (переходный процесс, частотные характеристики).

При выполнении курсовой работы вначале необходимо на основании анализа параметров нагрузки описать возможный объект управления, назначение и принцип действия следящей системы. Это даст априорную информацию для более обоснованного выбора основных функциональных элементов.

Расчет системы начинается с выбора исполнительного электродвигателя и механической передачи (редуктора). Необходимо обоснованно выбирать тип двигателя (постоянного тока или двухфазный асинхронный), серию (СЛ, МИ, ДПР, МИГ, АДП, ДИД и др.) и типоразмер (мощность). При выборе двигателя следует иметь в виду, что в таблицах исходных данных заданы максимальные значения параметров. Задание массы нагрузки и момента инерции вилкой означает, что этот параметр в процессе работы изменяется в указанных пределах. В этом случае расчет должен вестись для наихудшего случая.

Нагрузку с линейным перемещением целесообразно пересчитать в эквивалентную нагрузку с вращательным движением, а в качестве оси приведения принять ось датчика перемещения. На заключительном этапе выбора двигателя и передаточного числа редуктора следует проверить перегрузочную способность двигателя по моменту и его нагрев. Так как в задании приведены только максимальные значения скорости и ускорения движения, то в расчетах можно принять, что следящая система должна отрабатывать гармонический сигнал с указанными максимальными скоростью и ускорением.

После выбора двигателя следует выбрать тип усилителя мощности (транзисторный, тиристорный, электромашинный и др.) и указать его основные характеристики и требования, которым он должен удовлетворять (выходное напряжение, ток, источник питания, параметры входного сигнала, ограничение выходного тока и др.), т.е. составить техническое задание на его разработку.

Следующий этап – выбор датчика рассогласования. В качестве датчика рассогласования желательно использовать серийно выпускаемые промышленностью индукционные датчики угловых перемещений (сельсины, вращающиеся трансформаторы). При линейном перемещении нагрузки датчик с нагрузкой соединяется через механическую передачу типа винт–гайка или рейка–шестерня таким образом, чтобы максимальное перемещение нагрузки не превышало одного оборота датчика.

На заключительном этапе необходимо выбрать тип предварительного усилителя (транзисторный, операционный, постоянного или переменного тока), демодулятор, сглаживающий фильтр и источник питания всех элементов следящей системы, включая исполнительный двигатель и датчик. Для источника питания необходимо указать параметры по всем выходным цепям (напряжение, ток, частота), считая первичным источником промышленную сеть 220/380 В 50 Гц.

После выбора элементов следует определить их статические и динамические характеристики, передаточные функции, коэффициенты передачи, постоянные времени, зоны линейности характеристик, зону нечувствительности исполнительного двигателя. Постоянную времени фильтра демодулятора следует определить из условия пульсации выходного напряжения не более 5 %. По функциональной схеме и полученным передаточным функциям элементов составляется структурная схема следящей системы, проверяются условия согласования элементов по виду и уровням сигналов, входным и выходным сопротивлениям и уточняются их математические модели.

На следующем этапе производится анализ динамики системы, определяются параметры системы из условий обеспечения заданной точности, проверяется устойчивость, качество регулирования в переходных режимах работы.

При выполнении этих расчетов следует воспользоваться известными методами из курса «Теория автоматического управления». Рекомендуется использовать простой и наглядный метод логарифмических частотных характеристик. Коррекцию системы желательно осуществить корректирующими обратными связями. При высоких требованиях к динамической точности можно применить комбинированное управление по входному сигналу или возмущению (моменту нагрузки). Следует иметь в виду, что комбинированное управление по входному сигналу компенсирует только составляющие ошибки, обусловленные этим сигналом, и не компенсирует ошибку, обусловленную возмущением, а комбинированное управление по возмущению не компенсирует ошибку по входному сигналу.

После определения передаточных функций корректирующих устройств следует выбрать их схемные реализации, места включения и рассчитать их параметры. При расчете параметров необходимо учитывать и выполнять условия согласования по уровням сигналов, входным и выходным сопротивлениям.

На заключительном этапе необходимо убедиться в обеспечении заданного качества регулирования скорректированной системой с учетом реально реализуемых корректирующих устройств. Для этого необходимо оценить характер и параметры переходного процесса, воспользовавшись приближенными оценками качества регулирования или по переходной характеристике. Для получения переходной характеристики желательно использовать аналоговое или цифровое моделирование.

Для облегчения задачи выбора основных элементов следящей системы и синтеза корректирующих устройств в приложении приведены технические данные некоторых типов электродвигателей, тахогенераторов, сельсинов и вращающихся трансформаторов, а также вспомогательный материал для расчета динамики системы и корректирующих устройств.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ ЭЛЕКТРОМАШИННЫХ

ЭЛЕМЕНТОВ АВТОМАТИКИ

Электродвигатели постоянного тока обыкновенного исполнения серии СЛ Электродвигатели постоянного тока с цилиндрическим проволочным полым якорем серии ДПР Связь между показателем колебательности и качеством регулирования Рис. 1. Номограмма замыкания для вещественной частотной h, град.

Основные принципы построения АСУП

Практика создания АСУП различного класса и назначения подтвердили эффективностьиспользования ряда методологических принципов создания АСУП, сформулированныхакадемиком В.М. Глушковым еще в 70-х годах, к основным из них относятсяследующие:

  1. принцип новых задач , но – это задачи оптимального управления,которые можно решать, используя возможности вычислительной техники;
  2. принципкомплексного, или системного подхода при разработке АСУП, в соответствии скоторым необходимо комплексно решать вопросы технического,экономического и организационного характера;
  3. принцип первого руководителя предполагает, что разработкаАСУП должна проводится при участии и под руководством директора предприятия(для всей АСУП) или руководителей функциональных служб (для подсистем АСУП);
  4. принцип непрерывного развития системы , в соответствии с которым количестворешаемых задач непрерывно увеличивается, причем новые задачи не заменяют ужевнедренные;
  5. принцип модульности и типизации , заключающийся в выделении и разра-боткенезависимых частей системы и использовании их в различных подсистемах;
  6. принцип согласованности пропускных способностей отдельных частейсистемы, для обеспечения максимальнойпроизводительности системы в целом;
  7. принцип автоматизациидокументооборота и единой информационной базы .

Системы автоматики Общие сведения о системах автоматики 1

2 Общие сведения о СА.ppt

Системы автоматики Общие сведения о системах автоматики 1. Свойства системы, виды систем автоматики и автоматизированных систем. 2. Функции систем автоматики. 3. Элементы систем автоматики. 4. Ветви автоматики. 5. Аналоговые и дискретные сигналы. 6. Передача сигналов на расстояния. 7. Элементы и виды систем управления оборудованием. 8. АСУ и САУ оборудованием. 9. Техническая документация систем автоматики. 10. Схемы систем автоматики.

Свойства системы, виды систем автоматики и автоматизированных систем Система – совокупность элементов, объединенная связями между ними и обладающая определенной целостностью. Характерными свойствами системы, отличающими её от простого набора элементов (кучи) являются следующие: — система является совокупностью элементов, которые при определенных условиях могут рассматриваться как самостоятельные системы и носят название – подсистемы; — наличие существенных связей между элементами и их свойствами, превосходящих по силе связи этих элементов с элементами, не входящими в данную систему, под существенными связями понимаются такие, которые закономерно, с необходимостью определяют интеграционные свойства системы, указанное свойство отличает систему от простого конгломерата и выделяет её из окружающей среды в виде целостного объекта;

— наличие определенной организации, что проявляется в снижении энтропии (степени неопределенности) системы по сравнению с энтропией отдельных элементов системы; — существование новых интегральных свойств, присущих системе в целом, но не свойственных ни одному из её элементов в отдельности, их наличие показывает, что свойства системы хотя и зависят от свойств элементов, но не определяются ими полностью. Система автоматики – совокупность ТСА и объекта управления (контроля), объединенных связями и вступающих в определенные отношения между собой и с окружающей средой для выполнения функций системы автоматики: контроля, защиты, управления.

В зависимости от выполняемых функций системы автоматики делятся на три группы: — системы автоматического контроля; — системы автоматической защиты; — системы автоматического управления (САУ). Системы автоматики могут функционировать как автономно, так и в составе систем управления оборудованием, некоторых автоматизированных систем. ГОСТ 34. 003 -90 «Автоматизированные системы. Термины и определения» дает следующее определение: автоматизированная система – совокупность персонала и комплекса средств автоматизации его деятельности, реализующая информационную технологию (информационный процесс) выполнения установленных функций. Из данного определения следует, что автоматизированная система – информационная система, в которой действия над информацией выполняются техническими и программными средствами при участии персонала.

Информационная система – совокупность персонала и средств для выполнения действий над информацией, обеспечивающая реализацию информационных процессов (технологий). В настоящее время информационные системы оснащены компьютерами, которые выполняют сбор, поиск, обработку, хранение, представление, передачу информации, а поэтому современные информационные системы называют компьютерными информационными системами (КИС). По архитектуре (степени распределенности) различают локальные и распределенные КИС. В локальных КИС все информационные и программные ресурсы сосредоточены в одном компьютере, в распределенных – на нескольких компьютерах.

Автоматизация – деятельность по созданию, модернизации и поддержанию работоспособности автоматизированных систем и систем автоматики. Средства автоматизации делятся на технические и программные. К техническим средствам автоматизации относятся устройства, реализующие информационные процессы и воздействующие на объекты управления; к программным: компьютерные программы, пользовательские программы для контроллеров и калькуляторов, базы данных. Автоматизированные системы представлены двумя группами систем: — автоматизированные вычислительные системы (АВС), предназначенные для выполнения расчетов, реализации вычислительных процедур; — автоматизированные информационные системы (АИС), выполняющие сбор, поиск, обработку, хранение, представление, передачу информации.

Некоторые виды автоматизированных систем: — автоматизированные системы диспетчерского управления (АСДУ); — автоматизированные системы контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ); — автоматизированные системы научных исследований (АСНИ); — автоматизированные системы технологической подготовки производства (АСТПП); — автоматизированные системы управления военного назначения (АСУВН); — автоматизированные системы управления дорожным движением (АСУД); — автоматизированные системы управления зданиями (АСУЗ); — автоматизированные системы управления предприятием (АСУП); — автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП); — системы автоматизации проектных работ (САПР).

Системы автоматики обязательно присутствуют в следующих автоматизированных системах: АСУТП, АСДУ, АСКУЭ, АСУД, АСУЗ, АСУВН, АСНИ (эмпирических исследований). Деятельность по созданию, модернизации и поддержанию работоспособности систем автоматики машин и оборудования, АСУТП, АСУЗ называют – автоматизация технологических процессов (АТП).

Функции систем автоматики Контроль – наблюдение за поведением объекта контроля (системы, процесса), заключающееся в измерении фактических параметров состояния, записи результатов измерения, представлении этих результатов. На основе данных контроля осуществляется принятие решений, в том числе управленческих. Контроль, который осуществляется при помощи технических средств автоматики, называется: автоматический контроль. Контроль применяется во многих сферах деятельности человека. Оперативный контроль проводится постоянно при функционировании технических средств и технологических процессов, природных явлений. Плановый контроль выполняется периодически в соответствии с требованиями правил эксплуатации технических средств, норм безопасности и планом проведения контроля.

Управление – деятельность по упорядочению процессов, протекающих в природе, технике и обществе, устранению дезорганизации и приведению в новое состояние с учетом тенденций развития и изменения условий. Выделяют следующие виды управления: — техническое управление (управление техническими средствами и системами, технологическими процессами); — естественное управление (управление процессами жизнедеятельности живых организмов); — социальное управление (управление общественными процессами, людьми и организациями). Каждый из данных видов управления отличается назначением, качественным своеобразием, специфическими особенностями, интенсивностью совершаемых управленческих функций и операций.

В экономике управление (management) – процесс принятия управленческого решения и контроля его реализации с целью обеспечения желаемого функционирования экономической системы (подсистемы). В кибернетике управление (control) – процесс целенаправленного воздействия на объект управления, обеспечивающий желаемое его функционирование, например, движение по заданной программе. Кибернетика – наука, изучающая законы получения, хранения, передачи и обработки информации сложными развивающимися системами различной природы и разрабатывающая общие принципы построения систем управления.

С позиций кибернетики процесс управления системой, как направленное воздействие на ее элементы для достижения цели управления – информационный процесс, состоящий из следующих этапов: — сбор информации о состоянии объекта управления и окружающей среды; — обработка собранной информации (анализ собранной информации, принятие управленческого решения, его воспроизведение). На основании управленческого решения осуществляется определенное воздействие на объект управления – управляющее воздействие. Сбор информации о состоянии объекта управления и окружающей среды, а также ее анализ – это контроль, а поэтому контроль является этапом (частью) информационного процесса управления. Цель управления – совокупность требований, предъявляемых к объекту управления.

Оперативное управление предусматривает сбор информации о состоянии объекта управления и окружающей среды, ее обработку постоянно при функционировании объекта управления, выдача управляющих воздействий производится сразу после принятия решения, если она необходима. Управление может осуществляться непосредственно или на расстоянии (дистанционное управление). Дистанционное управление, при котором передача информации осуществляется в виде кодированных электрических сигналов по каналам проводной или беспроводной связи называется – телеуправление. Автоматическое управление реализуется САУ без непосредственного участия человека. Автоматическое управление оперативное управление.

Защита – наблюдение за состоянием технических средств и систем, при работе которых могут возникнуть опасные ситуации, приводящие к авариям, возгораниям, несчастным случаям и т. д. , и воздействие на эти технические средства и системы. Указанное воздействие выражается в отключении или блокировке технического средства или системы при возникновении опасной ситуации. Используется защита в электрических сетях и в электроустановках, в некоторых видах оборудования. Защита, которая осуществляется техническими средствами автоматики без непосредственного участия человека, называется: автоматическая защита. Осуществление контроля, защиты, управления системами автоматики вместо человека имеет следующие преимущества: — высокая точность измерений параметров объектов управления (контроля), окружающей среды; — регистрация больших объемов информации с высокой производительностью; — воспроизведение информации в разных формах; — быстродействие; — надежность.

Элементы систем автоматики К элементам систем автоматики относятся: — объекты управления (контроля); — технические средства автоматики (ТСА). Объекты контроля – различные средства, системы, процессы, о состоянии которых требуется иметь информацию, а также изделия, материалы, которые необходимо разделить на группы по определенным параметрам. Объекты управления – технические средства и системы, технологические процессы, которые нуждаются в оказании специально организованных воздействий извне для достижения (поддержания) определенного состояния.

Состояние объекта управления (контроля) характеризуется рядом конкретных значений параметров, которые называются переменными состояния объекта управления (контроля). В качестве переменных состояния объекта управления (контроля) могут выступать: перемещение, сила, скорость, частота вращения, механическое напряжение, деформации, давление, температура, расход жидкости или газа, уровень жидкости, электрическое напряжение, ток, заряд, освещенность и другие физические величины. Технические средства автоматики (ТСА) – устройства, предназначенные для применения в системах автоматики, они осуществляют сбор, обработку, хранение, представление информации в целях контроля, защиты, управления, а также воздействие на объект управления. Системный подход к построению и использованию ТСА (их группировка и унификация по функциональному, информационному и конструктивнотехнологическому признакам) позволил объединить их в рамках Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП).

Прибор – общее название устройств, предназначенных для освещения, нагрева, измерений, контроля, вычислений, учета, выполнения действий над информацией и т. д. Технические средства автоматики (ТСА): — датчики, которые измеряют фактические значения параметров объектов управления (контроля), окружающей среды, преобразуют результаты измерений в сигналы; — вторичные приборы, сигнальные устройства, воспроизводящие информацию о состоянии объектов управления (контроля), окружающей среды, а также записывающие ее на носители; — предохранители и коммутационные устройства, осуществляющие коммутацию электрических цепей; — автоматические управляющие устройства (АУУ), которые сопоставляют заданные и фактические значения управляемых параметров, формируют, согласно принятым законам управления, управляющие сигналы (АУУ содержат элементы – задатчики, вырабатывающие заданные значения управляемых параметров, и тем самым задающие алгоритмы функционирования САУ, в отдельных случаях задатчик может быть самостоятельным устройством);

— исполнительные устройства, которые преобразуют управляющие сигналы в воздействия на объекты управления; — преобразователи, устройства сопряжения (связи) с объектом (УСО), усилители, предназначенные для преобразования сигналов; — проводящие устройства и их соединения, обеспечивающие передачу сигналов. Элементы систем автоматики, которые осуществляют обработку информации (сигналов), воздействия на объекты управления называются функциональными элементами или звеньями. Объекты управления (контроля) также являются функциональными элементами систем автоматики.

Ветви автоматики Устройства ГСП, питающиеся при эксплуатации энергией одного рода, образуют структурную группу в ГСП, или ветвь ГСП (электрическую, пневматическую, гидравлическую). В отдельных видах изделий ГСП могут быть использованы и другие виды энергии (акустическая, оптическая, механическая). В ГСП входят также устройства, работающие без использования энергии (приборы и регуляторы прямого действия). Системы автоматики, комплектуемые из приборов определенной ветви ГСП, называют также как и ветвь ГСП. Таким образом, существует три ветви автоматики: — электрическая; — пневматическая; — гидравлическая. В настоящее время в системах автоматики широко используются микропроцессорные устройства, а поэтому внутри электрической ветви выделяют ветвь цифровой автоматики.

Системы автоматики, комплектуемые из приборов электрической ветви, имеют преимущества по чувствительности, точности, быстродействию, дальности, обеспечивают высокую схемную и конструктивную унификацию приборов. Применение полупроводниковых микросхем способствует уменьшению габаритов и веса приборов, сокращению количества потребляемой ими энергии, повышению их надежности, расширению функциональных возможностей (создание многофункциональных приборов), позволяет применять при их изготовлении современную прогрессивную технологию.

Приборы пневматической ветви характеризуются безопасностью применения в легковоспламеняемых и взрывоопасных средах, высокой надежностью в тяжелых условиях работы, особенно при использовании в агрессивной атмосфере. Они легко комбинируются друг с другом. Однако пневматические приборы уступают электрическим и электронным устройствам в тех случаях, когда технологический процесс требует больших быстродействий или передачи сигналов на значительные расстояния. Гидравлические приборы позволяют получать точные перемещения исполнительных устройств при больших усилиях.

Аналоговые и дискретные сигналы Сигнал (signum – знак) – специально создаваемое физическое явление, обеспечивающее передачу условного отображения информации. Сигнал – поток энергии или вещества, имеющий параметр, изменяемый по определенному закону. Указанный параметр потока называется несущим, так как несет информацию. Применительно к системам автоматики сигнал – поток энергии или вещества, поступающий в функциональный элемент или выходящий из него. Общее свойство любых сигналов – это передача воздействия от одних элементов системы автоматики к другим в одном направлении, поэтому на схемах сигналы показывают направленными отрезками (векторами). По направлению различают входные (поступающие, входы) и выходные сигналы (выходящие, выходы). Выходной сигнал конкретного функционального элемента зависит от входного, так как он является реакцией на воздействие (входной сигнал).

По физической природе носителя информации различают: — электрические сигналы; — радиосигналы; — оптические сигналы; — акустические (в том числе звуковые) сигналы; — пневматические сигналы; — гидравлические сигналы; — механические сигналы; — световые сигналы.

В ГСП приняты следующие унифицированные сигналы, обеспечивающие информационное сопряжение между устройствами ГСП: — электрические (постоянные напряжение, ток; параметры переменных напряжения, тока); — пневматические (давление); — гидравлические (давление). В зависимости от функции, описывающей параметры сигнала, различают: — аналоговый сигнал, который описывается непрерывной функцией времени (несущий параметр непрерывно изменяется во времени); — дискретные сигналы (релейный, импульсный, цифровой), у которых несущий параметр изменяется дискретно во времени.

Релейный сигнал выражается наличием или отсутствием какого-либо состояния (включено или выключено), воздействия (тока, напряжения, давления); высоким или низким уровнем воздействия, что условно обозначается 1 или 0. Импульсный сигнал представляет собой последовательность импульсов определенной формы с изменяющимся параметром. Цифровой сигнал имеет параметр, изменяющийся скачкообразно, один уровень данного параметра обозначает 0, а другой – 1. Таким образом, цифровой сигнал – последовательность цифр (0 и 1) или последовательность битов. Биты образуют числа определенного разряда в двоичной системе счисления (двоичные коды) или кодовые слова, которые несут информацию.

Любой электрический аналоговый сигнал может быть преобразован в двоичный код или в кодовое слово устройством, которое называют: аналого-цифровой преобразователь (АЦП). АЦП производит дискретизацию аналогового сигнала по времени, то есть преобразование непрерывного сигнала в последовательность коротких импульсов с амплитудой, равной значению сигнала в моменты стробирования (появления импульсов), и квантование – замену величины каждого импульса из последовательности, полученной в результате дискретизации, целым числом шагов квантования, представляемым в двоичной системе счисления. Основными показателями работы АЦП являются: частота дискретизации и шаг квантования. Чем больше частота дискретизации (величина обратная продолжительности импульса) и меньше шаг квантования (величина аналогового сигнала, соответствующая одному кванту), тем точнее кодовое слово отражает исходный аналоговый сигнал и больше битов будет в нем.

Преобразование аналогового сигнала в кодовые слова

В результате обработки информации в процессоре M-разрядный двоичный код становится N-разрядным двоичным кодом. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) обеспечивает преобразование кодовых слов в аналоговый сигнал. АЦП и ЦАП обеспечивают взаимодействие компьютеров и других микропроцессорных устройств с аналоговыми устройствами. Схема взаимодействия цифрового процессора с аналоговыми устройствами

Передача сигналов на расстояния В системах автоматики и автоматизированных системах сигналы, несущие информацию, могут передаваться на значительные расстояния: от десятков метров до десятков километров, а в системах космического назначения – на сотни, тысячи и даже миллионы километров. При больших расстояниях передачи сигналов окружающая среда оказывает сильные помехи, что приводит к искажению передаваемой информации. Для исключения негативного воздействия окружающей среды на сигналы, последние подвергают специальным преобразованиям. Принципы и закономерности функционирования технических систем, обеспечивающих контроль и управление на расстоянии посредством передачи специально преобразованных сигналов изучает наука – телемеханика.

Для передачи преобразованных помехоустойчивых сигналов между разнесенными в пространстве звеньями систем автоматики и автоматизированных систем организуется канал связи – совокупность технических средств, обеспечивающих передачу помехоустойчивых сигналов от одного устройства другому. В системах автоматики используются симплексные каналы связи, допускающие передачу сигналов только в одном направлении, и полудуплексные каналы связи, допускающие передачу информации в обоих направлениях поочерёдно. Технические средства канала связи выполняют следующие действия: модуляция сигнала; преобразование модулированного сигнала; демодуляция модулированного сигнала. Передача информации между техническими средствами канала связи осуществляется по проводным и беспроводным линиям связи. В случае проводной линии связи технические средства соединены проводящим устройством: кабелем или проводом.

В настоящее время для передачи информации используются следующие виды кабеля: — витая пара; — коаксиальный кабель; — волоконно-оптический кабель. Если линия связи беспроводная, то технические средства имеют фидеры и антенны, излучающие и принимающие радиоволны. Беспроводные линии связи называют линиями радиосвязи, по ним передаются радиосигналы – искусственно создаваемые радиоволны, несущие информацию. Радиоволны – электромагнитное излучение с длинами волн в электромагнитном спектре длиннее инфракрасного. Радиоволны имеют частоту от 3 к. Гц до 300 ГГц, и соответствующую длину волны от 1 мм до 100 км. Как и все другие электромагнитные волны, радиоволны распространяются со скоростью света.

Скорость манипуляции или символьная скорость – число различных состояний сигнала в линии связи в единицу времени. При этом сами состояния называются символами. Основная единица измерения скорости манипуляции – бод (число символов в секунду) – количество изменений информационного параметра сигнала в секунду, для цифровых сигналов – количество битов, передаваемых в секунду. Бодами также выражают полную ёмкость канала, включая служебные символы (биты), если они есть. Скорость манипуляции не следует путать со скоростью передачи информации, определяющей количество информации, передаваемое в единицу времени и измеряемое в битах в секунду. Электрические сигналы, подлежащие передаче в системах автоматики, в большинстве случаев лежат в низкочастотной части спектра (в диапазоне от нуля до нескольких десятков герц). Передача этих сигналов на расстояния иногда используется, но дальность действия подобных систем ограничена и редко превышает нескольких десятков метров, так как низкочастотные сигналы наиболее сильно подвержены воздействию помех при передаче их на большие расстояния. Для повышения помехоустойчивости низкочастотные электрические сигналы подвергают модуляции.

Модуляция – процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного несущего электромагнитного колебания по закону входного сигнала. Передаваемая информация заложена во входном сигнале, а роль переносчика информации выполняет высокочастотное (модулированное) колебание, называемое несущим. В результате модуляции спектр низкочастотного входного сигнала переносится в область высоких частот. Это позволяет при организации вещания настроить функционирование всех приёмо-передающих устройств на разных частотах с тем, чтобы они не мешали другу. Устройство, осуществляющее модуляцию сигнала, называется: модулятор. Демодуляция – процесс обратный модуляции – преобразование модулированных колебаний высокой частоты в низкочастотный сигнал. Демодулятор – устройство, осуществляющее демодуляцию сигнала.

Методы модуляции сигналов: — непрерывные; — импульсные; — цифровые. В непрерывных методах модуляции в качестве несущего используют непрерывное гармоническое колебание, вырабатываемое высокочастотным генератором. В зависимости от того, какой именно параметр несущего колебания изменяется в соответствии с изменением низкочастотного сигнала, различают модуляции: амплитудную, частотную и фазовую. При демодуляции производится измерение изменяемого параметра несущего колебания.

В импульсных методах модуляции несущим колебанием является периодическая последовательность прямоугольных импульсов. Модулятор в соответствии с изменением низкочастотного сигнала изменяет какой-либо параметр этой последовательности импульсов: амплитуду – амплитудноимпульсная модуляция (АИМ); частоту – частотно-импульсная модуляция (ЧИМ); длительность – широтно-импульсная модуляция (ШИМ); момент появления – фазоимпульсная модуляция (ФИМ). Для демодуляции импульсного сигнала необходимо измерять тот параметр импульсов, который несет информацию (амплитуду, длительность, частоту, фазу). Точность передачи информации практическом использовании непрерывных и импульсных методов модуляции ограничена воздействием помех и не идеальностью характеристик модулятора, демодулятора и других устройств, участвующих в передаче сигнала.

Цифровые методы модуляции обеспечивают высокую точность передачи сигнала, так как в этом случае сигнал подвергается дискретизации по времени и квантованию по уровню. При этом увеличивая число уровней квантования (и соответственно разрядность кода), можно сделать ошибку квантования по уровню сколь угодно малой. Естественно, что за это приходится расплачиваться увеличением времени передачи сигнала или расширением требуемой полосы пропускания канала связи (если увеличивать частоту следования импульсов). Цифровую модуляцию также называют: манипуляция – процесс преобразования последовательности кодовых символов в последовательность элементов сигнала (частный случай модуляции – при дискретных уровнях модулирующего сигнала).

Существуют следующие виды манипуляции: — амплитудная манипуляция (скачкообразно меняется амплитуда несущего колебания); — частотная манипуляция (значениям 0 и 1 последовательности кодовых символов соответствуют определенные частоты синусоидального сигнала при неизменной амплитуде); — фазовая манипуляция (фаза несущего колебания меняется скачкообразно); — квадратурная амплитудная манипуляция (КАМ) – манипуляция, при которой изменяется как фаза, так и амплитуда сигнала, что позволяет увеличить количество информации, передаваемой одним состоянием (отсчётом) сигнала.

Так как при цифровых методах модуляции информацию несет не какой-либо параметр колебаний, а вид кодовой комбинации, то приеме нет необходимости измерять искаженные в канале связи амплитуду, длительность или частоту с неизбежной при этом ошибкой измерения, достаточно установить произошел скачок несущего параметра или нет. Этим обстоятельством и объясняются высокие точность и помехоустойчивость цифровых методов модуляции. Если точность непрерывных и импульсных методов составляет 0, 5… 1, 0 %, то цифровые методы позволяют достигнуть точности 0, 05… 0, 1 % и выше.

Элементы и виды систем управления оборудованием Система управления – совокупность обслуживающего персонала, средств сбора информации об объекте управления и окружающей среде, обработки информации, ее передачи, воздействия на объект управления, предназначенная для достижения целей управления. Система управления оборудованием включает один или несколько контуров управления. Каждый контур управления автономно воздействует на объект управления. Системы управления оборудованием бывают трех видов: — системы ручного управления; — автоматизированные системы управления (АСУ); — системы автоматического управления (САУ).

В системах ручного управления операции информационного процесса управления выполняет человек – оператор. На основании принятого управленческого решения оператор воздействует на орган управления, который вырабатывает сигнал для исполнительного устройства. Исполнительное устройство воздействует на объект управления. Оператор, орган управления и исполнительное устройство образуют систему управления оборудованием.

Электрическая схема системы нереверсивного управления асинхронным трехфазным электродвигателем

Принципиальная схема транспортера с приводом от электродвигателя постоянного тока

АСУ и САУ оборудованием В АСУ человек является обязательным элементом системы, но его функции сокращены. АСУ включает систему автоматического контроля, которая выполняет сбор информации о состоянии объекта управления, или сбор информации и ее анализ, что позволяет оператору точно принять управленческое решение на основе показаний вторичных приборов и сигнальных устройств. К АСУ также относятся системы управления, включающие контуры автоматического и ручного управления. Примером такой АСУ является тормозная система автомобиля с антиблокировочной системой.

Информационная цепь (1. 1) Сигнальная лампочка включена в цепь биполярного транзистора n-p-n типа. При напряжении на клеммах тахогенератора ниже напряжения соответствующего заданной скорости транспортера стабилитрон находится в непробитом состоянии и на базу транзистора поступает положительный потенциал, транзистор открыт и сигнальная лампочка светится.

Вторичный прибор, сигнальная лампочка, кнопочная станция пускателя и рычаги ползунков потенциометра и реостата расположены на пульте управления 6. Такая система управления называется автоматизированной, так как сбор информации о состоянии объекта управления выполняется техническим средством автоматики – датчиком угловой скорости (тахогенератором), а электронная схема, включающая стабилитрон, транзистор, реостат и резистор производит анализ информации о состоянии объекта управления и выдает результат этого анализа в виде сигнала (света лампочки). Датчик угловой скорости, вторичный прибор, сигнальная лампочка, электронная схема, а также соединяющие их проводящие устройства образуют систему автоматики. В САУ все операции управления (сбор информации о состоянии объекта управления, ее анализ, принятие управленческого решения, его воспроизведение, воздействие на объект управления) выполняют технические средства автоматики, а поэтому САУ функционируют без непосредственного участия человека.

Электрическая принципиальная схема САУ транспортером с приводом от электродвигателя постоянного тока (1. 2) Оснащение машин и оборудования системами автоматики позволяет снизить напряженность труда операторов, повысить производительность и безопасность технологических процессов, качество продукции или услуг.

Техническая документация систем автоматики При разработке, изготовлении, ремонте, обслуживании и эксплуатации систем автоматики и их составляющих руководствуются требованиями единой системы конструкторской документации (ЕСКД) – комплекса стандартов, который определяет состав, правила разработки, оформления и обращения конструкторской документации. Конструкторская документация – графические и текстовые документы, которые в совокупности или в отдельности определяют состав и устройство системы автоматики и содержат всю информацию, необходимую для разработки, изготовления, контроля, приемки, эксплуатации, обслуживания и ремонта системы автоматики. Конструкторская документация текстовая – документация, которую выполняют рукописным (печатным) способом на листах бумаги формата А 4 согласно установленным формам.

К текстовой конструкторской документации относятся: — спецификации, которые определяют составные части сборочных единиц, комплексов или комплектов; — перечень элементов принципиальной схемы устанавливает ее состав; — технические условия содержат требования к системе автоматики; — пояснительная записка содержит словесное описание системы автоматики, а также обоснование принятых во время разработки технических решений; — ведомости включают перечни составных элементов: ведомость спецификаций, ведомость покупных изделий, ведомость ссылочных документов, а также ведомости технического предложения, эскизного и технического проектов; — эксплуатационная документация предназначена для изучения системы автоматики и правил ее эксплуатации; содержит техническое описание, инструкции по эксплуатации и техническому обслуживанию, паспорт, ведомость запасных изделий и т. п.

При наличии в системе автоматики технических средств, требующих программного обеспечения, необходимо иметь документацию на данное программное обеспечение. Документация на программное обеспечение – текстовые и графические документы (руководства пользователя, диалоговая (оперативная) документация, справочные материалы), описывающие, как пользоваться программным продуктом. Программные продукты и документация на программное обеспечение разрабатываются в соответствии с требованиями единой системы программной документации (ЕСПД).

Конструкторская документация чертежная – графическая документация, состоящая из чертежей пяти видов: — чертеж детали содержит ее изображение и информацию, необходимую для ее изготовления и контроля; — сборочный чертеж сдержит изображение и информацию сборочной единицы – нескольких сопряженных деталей, необходимую для ее сборки и контроля; — чертеж общего вида определяет конструкцию всего технического средства, взаимодействие его основных частей и поясняет принцип действия; — электромонтажный чертеж содержит информацию, необходимую для электрического монтажа системы автоматики или ее части; — монтажный чертеж содержит контурное (упрощенное) изображение системы автоматики, а также информацию для ее установки на месте использования.

Схемы систем автоматики Конструкторская документация схемная – графическая документация, которая состоит из схем шести видов: — структурная схема – условное изображение совокупности элементарных звеньев системы автоматики или отдельного устройства, связей между ними, один из видов графической модели (под элементарным звеном понимают часть объекта, системы управления и т. д. , которая реализует элементарную функцию); элементарные звенья изображаются прямоугольниками, а связи между ними – сплошными линиями со стрелками, показывающими направление действия звена, иногда в поле прямоугольника вписывают математическое выражение закона преобразования сигнала в звене (передаточную функцию звена), в этом случае схему называют алгоритмичной; — принципиальная схема определяет полный состав элементов и связи между ними, дает подробное представление о принципе действия изделия, элементы показывают условными графическими обозначениями; к принципиальным схемам относятся электрические, гидравлические, пневматические, кинематические схемы;

Структурная схема САУ транспортером с приводом от электродвигателя постоянного тока

— функциональная схема определяет функциональные элементы, входящие в систему автоматики, и связи между ними, описывает процессы, протекающие в системе; функциональные элементы изображаются прямоугольниками с текстовыми пояснениями, сигналы показываются стрелками; — схема соединений (монтажная) показывает расположение и соединения составных частей системы автоматики и определяет необходимые: провода, кабели, трубы, муфты, зажимы, соединители и т. д. ; — схема подключения показывает внешние соединения устройства; — схема общая устанавливает составные части комплекса устройств системы автоматики и способы их установки на месте эксплуатации, крепежные устройства.

Функциональная схемы САУ транспортером с приводом от электродвигателя постоянного тока

Добавить комментарий