Свойства и характеристики объектов управления

Д.Я. Паршин

 

 

ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ

И РОБОТОТЕХНИКИ

 

ЛЕКЦИИ

Раздел «Автоматизация технологических процессов»

 

Ростов-на-Дону

Основы автоматизации технологических ПРОЦЕССОВ

Основные понятия и определения автоматизации производства

Автоматика – это отрасль науки и техники, которая занимается теорией и построением систем управления, работающих без участия человека. Основой этой отрасли является теория автоматичес­кого управления. Следует отметить, что термин "автоматика" используется иногда и в более узком смысле, как совокупность механизмов и устройств, действующих автоматически.

Автоматизация производства – это этап машинного производства, характеризуемый освобождением человека от непосредственного управления производственным процессом и передачей этих функций автоматическим устройствам. Автоматизация предполагает применение методов и средств автоматики для превращения неавтоматических процессов в автоматические.

В современной технике используются разнообразные автоматические устройства и системы, отличающиеся друг от друга физической природой, принципом действия, схемным и конструктивным решениями. Все эти устройства и системы предназначены для выполнения одной из следующих основных задач автоматизации, контроля, сигнализации, защиты или управления.

Автоматический контроль выполняет измерение различных параметров технологического процесса и их регистрацию с помощью измерительных приборов.

Автоматическая сигнализация предназначена для оповещения об­служивающего персонала о предельных или аварийных значениях физических параметров, о месте и характере нарушении технологического процесса.

Автоматическая защита представляет собой совокупность технических средств, которые при возникновении ненормальных и аварийных режимов прекращают производственный процесс, либо устраняют ненормальные режимы.

Дистанционное управление – ручное управление на расстоянии механизмами в пределах производственного комплекса, используя на каждый механизм отдельную линию связи. Телеуправление обеспечивает управление на расстоянии различными объектами с помощью устройств, позволяющих передавать большое количество различных управляющих сигналов одновременно или в разное время по одной связи или по небольшому их числу.

Автоматизированное управление – управление, при котором сбор, обработка информации о состояния объекта производятся автоматически (с помощью вычислительных машин), а принятие решений и выдача команд управления осуществляются человеком. Человеко-машинная система, осуществляющая такое управление, называется автоматизированной системой управления (АСУ).

Автоматическое регулирование – процесс поддержания какого-либо параметра на заданном уровне или изменение его по определенному закону без участия человека. Совокупность устройств, обеспечивающих автоматическое регулирование, называется системой автоматического регулирования (САР).

Автоматическое управление – управление объектами без участия обслуживающего персонала. Совокупность технических устройств и объекта управления называется системой автоматического управления (САУ).

В общем случае автоматический контроль, сигнализацию и защиту, дистанционное и телеуправление можно рассматривать как составную часть процесса автоматического управления, наиболее распространенной разновидностью которого является автоматическое регулирование. Задача автоматического регулирования заключается в том, чтобы поддерживать заданные значения показателей какого-либо процесса или изменять их определенным образом без непосредственно­го участия человека.

Физические величины, значения которых требуется поддерживать постоянными или изменять в соответствии с технологическими процессами, называются регулируемыми или выходными величинами. Автоматическое устройство, обеспечивающее регулирование значения какой-либо физической величины, называется автоматическим регулятором, а технический агрегат, в котором происходит процесс, подлежащий регулированию, называется объектом регулирования. Автоматический регулятор совместно с объектом регулирования составляет САР.

Процесс регулирования включает в себя получение информации о задачах регулирования и о регулируемой величине, ее анализ, выработку решения и осуществление регулирующих действий. В соответствии с этим автоматический регулятор должен иметь изме­рительные, промежуточные и исполнительные устройства (рис.1.1).

Измерительное устройство служит для определения действительного значения регулируемой величины и сравнения его c заданным значением. Оно вырабатывает сигнал соответствующего знака, пропорциональный разности измеренного и заданного значений регулируемой величины. Измерительное устройство состоит из чувствительного, задающего и сравнивающего элементов. Чувствительный элемент или датчик выполняет функции источника информации о действительном значении регулируемой величины. Задающий элемент служит для введения в систему требуемого закона изменения регулируемой величины. Элемент сравнения осуществляет сопоставление измеренного и заданного значений регулируемой величины и формирование сигнала управления.

Выходной сигнал измерительного устройства в большинстве слу­чаев не может быть непосредственно использован для управления исполнительным устройством САР из-за малой мощности или несов­падения по физической природе. Поэтому между измерительным и исполнительным устройствами включаются промежуточные элементы. Промежуточные элементы преобразуют выходной сигнал измерительного устройства по виду и величине таким образом, чтобы он обеспечивал надёжную работу исполнительных устройств системы. К ним относятся усилители, обеспечивающие простое усиление сигнала по величине или мощности, и преобразователи, осуществляющие преобразование сигнала по виду или по требуемому функциональному закону.

Исполнительное устройство - это элемент системы, которая непосредственно оказывает воздействие на регулирующий орган объекта с целью восстановления требуемого значения регулируемой величины.

Отдельные элементы, входящие в состав автоматической системы, определенным образом связаны между собой. Связь, обеспечивающая передачу сигналов между элементами в направлении объекта регулирования, называется прямой, а связь выхода объекта регулирования со входом автоматического регулятора называется главной обратной связью системы. Обратная связь служит для сравнения действительного значения регулируемой величины с заданным. Различают положительную и отрицательную обратные связи. При положительной обратной связи сигнал x _ос совпадает по знаку с входным сигналом x _зад, а при отрицательной их знаки противоположны. Наряду с главной обратной связью в САР могут иметь место местные обратные связи, которые охватывают отдельные элемента или группу элементов. В зависимости от характера действия обратная связь может быть гибкой и жёсткой. Жёсткая обратная связь действует в установившемся и в переходном режимах работы, а гибкая - только в переходном режиме.

Графическое изображение САР, на котором приводятся её эле­менты и связи между ними, называется структурной схемой (рис.1.1). Каждый элемент системы на схеме изображается прямоугольником с указанием выполняемой функции, а связи между элементами указываются линиями со стрелками.

Регулируемая величина y в автоматических системах зависит от ряда факторов, определяемых внешними условиями и внутренними свойствами самой системы. Переменные величины, оказывающие влияние на регулируемую величину, называются воздействиями. Различают управляющие, задающие, регулирующие и возмущающие воздействия (рис.1.1). Управляющее воздействие (F _упр) представляет собой внешнее воздействие, поступающее на систему через задающий элемент. Оно исходит от человека или управляющего устройства. Задающее воздействие (U _зад) формируется задающим элементом в соответствии с требуемым законом изменения регулируемой величины. Регулирующее воздействие (F _рег) создается автоматическим регулятором с целью устранения отклонения регулируемой величины от заданного значения. Возмущающие воздействия (F _воз) - это внешние воздействия на объект регулирования, вызывающие нарушения требуемой функциональной связи между задающим воздействием и регулируемой величиной. Они подразделяются на основные и помехи. К основным относятся воздействия, существенно влияющие на регулируемую величину и легко поддающиеся измерению. Все остальные виды возмущающих воздействии называются помехами.

Для построения САР используются два основных принципа автоматического регулирования: по отклонению регулируемой величины и по возмущению. При автоматическом регулировании по отклонению (рис.1.2) действительное значение выходной величины x _выхсрав­нивается с заданным значением x _зад и в случае отклонения выходной величины от заданного значения (Dх ¹ 0) на объект регулирования оказывается воздействие, ко­торое приводит к устранению этого отклонения полностью или с заданной степенью точности. Это достигается следующим образом. Значение x _вых воспринимается измерительным преобразователем (датчиком) ИП и преобразуется в такую же физическую величину, как и x _зад. Эта величина подается на элемент сравнения СЭ. Результат сравнения D x = x _зад— x _вых, получаемый на вы­ходе СЭ, поступает на усилитель У. Усиленный сигнал u подается на исполнительный механизм ИМ,который в за­висимости от знака D x отрабатывает поданное на него воздействие, перемещая в ту или другую сторону регули­рующий орган РОи тем самым изменяя приток энергии или вещества к объекту управления ОУ. При этом пере­мещение РО должно быть такое, чтобы D x ®0, а следова­тельно, x _вых приближалось к заданному значению. Перемещение РО прекращается тогда, когда D x будет допустимо малым или равным нулю. Наличие обратной связи является не­обходимым условием качественного регулирования, по­скольку она позволяет получить отклонение регулируемой величины от заданного значения Х_вх независимо от при­чины возникновения этого отклонения. Прямая и обрат­ная связи образуют замкнутый контур, поэтому такие системы называются замкнутыми САР. В САР могут быть дополнительные и местные обрат­ные связи. Иногда они могут возникнуть в результате ес­тественного взаимного влияния элементов. Этот способ пригоден как для стати­ческих, так и для астатических объектов, и в настоящее время яв­ляется основным. При его применении может быть получена высокая точность регулирования. Недостатком его является ограниченное быстродействие, определяемое инерционностью объекта.

При автоматическом регулировании по возмущению измерение регулируемого параметра не производится, а поддержание его заданного значения достигается путем воздействия на объект регулирования по результатам измерения возмущающих воздействий, вызвавших отклонение. В этих системах (рис.1.3) измерительный преобразователь ИПрегулятора измеряет возмущающее воздействие F. Поскольку заранее известно, какое отклонение регулируемой величины x _вых вызовет данное значение возмущения F и какое регулирующее воздействие g может компенсировать это отклонение, то регулятор, измерив значение F, оказывает соответствующее регулирующее воздействие g для компенсации его неже
лательного действия.

Возмущающее воздействие F измеренное датчикомИПпреобразуется в пропорциональную ему ве­личина х, которая подается через усилительно-преобразующий элемент У на исполнительное устройство ИМ. Последнее осуществляет регулирование объекта. Достоинством принципа является быстрая реакция на возмущения. Однако в этих системах устраняется влияние только основных возмущений.

В последнее время все большее распространение находят ком­бинированные системы регулирования, в которых совмещаются прин­ципы регулирования по возмущению и по отклонению.

В отдельных случаях могут использоваться простые разомкнутые системы регулирования, если заранее известно, в какое время и какое возмущение действует на объект управления. В таких системах управляющее воздействие задается в функции времени в соответствии с предполагаемым воздействием возмущений (рис.1.4).

Примером таких систем являются системы регулирования температуры в сушильных и пропарочных камерах, в которых загрузка и выгрузка материала строго регламентируется по времени. Достоинство таких систем - простота реализации, а недостаток -невозмож­ность учета ряда возмущений, действующих на объект. Разомкнутые АСР применяются сравнительно редко в силу указанных недостатков. Замкнутые АСР при разработке требуют меньше начальной информации, так как в них осуществляется регулирование по отклонению регулируемой
величины независимо от причины, вызвавшей это отклонение.

В процессе работы САР могут находиться в различных состояниях. Возможны два качественно отличных друг от друга состоя­ния системы: установившееся и неустановившееся. При установившемся (статическом) режиме регулируемая величина остается постоянной или изменяется с постоянной скоростью, при этом внешние воздействия на систему остаются постоянными либо равномерно изменяются во времени. В неустановившемся (динамическом) режиме регулируемая величина изменяется во времени вследствие изменения внешнего воздействия. Если внешнее воздействие изменяется скачком, то сис­тема совершает переход из одного установившегося состояния в другое. Такое изменение состояния системы называется переходным процессом.

Автоматические системы можно классифицировать по ряду признаков: назначению, степени автоматизации, характеру алгоритма управления, используемому носителю информации, применяемой элементной базе.

По назначению автоматические системы разделяются на системы управления, регулирования, контроля, сигнализации и защиты, блокировки и др. Наиболее сложными по структуре и набору функциональных элементов являются автоматические системы управления и регулирования.

По степени автоматизации различают частичную, комплексную и полную автоматизацию производства. Частичная автоматизация представляет собой автоматизацию от­дельных операций или технологических процессов. Во многих случаях она применяется тогда, когда человек практически не может управлять производительными про­цессами из-за их сложности и быстротечности. Частично, как правило, автоматизируется действующее производственное оборудование. Системы частичной автоматизации называются локальными системами. При комплексной автоматизации участок, цех или завод работают как автоматизированный объект. При этом автоматизация охватывает все основные производственные функции предприятия, хозяйств, служб. Она целесообразна лишь при высокоразвитом производстве на базе совершен­ной технологии и прогрессивных методов управления с применением надежного производственного оборудования, действующего по заданной или самоорганизующейся программе. Полная автоматизация охватывает как основные, так и вспомогательные процессы. Функции человека при этом ограничиваются общим контролем состояния процесса. Степень автоматизации определяется, прежде всего, ее экономической эффективностью и целесообразностью.

По характеру алгоритма управления, под которым понимается совокупность действий, выполняемых системой в процессе ее функционирования, различают следующие автоматические системы управления:

· стабилизирующие - поддерживающие значение управляемой величины постоянным;

· программные - изменяющие управляемую величину в соответствии с заранее заданной последовательностью по времени;

· следящие - изменяет управляемую величину в зависи­мости от неизвестного заранее значения переменной величины на входе автоматической системы;

· самоприспосабливающиеся (адаптивные) - алгоритм управления изменяется автоматическим устройством таким образом, чтобы автоматическая система осуществляла заданную цель управления;

· логико-программные - изменяющие состояние управляемо­го объекта в соответствии с требуемой последовательностью рабочих операций.

По виду сигнала САР делятся на системы непрерывные и дискретные. В непрерывных системах все элементы формируют сигналы в виде непрерывных функций времени. В них регулирующий орган, будучи все время связан с чувствительным элементом, непрерывно следует за отклонением регулируемого параметра в соответствии с сигналом чувствительного элемента.

В дискретных системах присутствует по крайней мере один элемент, производящий квантование непрерывных сигналов по уровню, времени, либо одновременно по обоим, В соответствии с этим дискретные системы, в свою очередь, делятся на релейные, импульсные и цифровые. В релейных системах осуществляется квантование по уровню, в импульсных – по времени, а в цифровых – по уровню и времени.

В зависимости от используемого источника энергии автоматические системы подразделяются на электрические, пневматические, гидравлические и комбинированные. Наибольшее применение при автоматизации технологических процессов получили электрические системы. В условиях повышенной взрывоопасности применяются пневматические системы автоматизации. Гидравлические системы используются крайне редко в связи с трудностями дистанционной передачи управляющих воздействий. При автоматизации строительных процессов и оборудования находят применение электрогидравлические системы, у которых используются гидравлические исполнительные устройства.

При автоматизации управления технологическими процессами широко используются средства контроля технологических параметров. Системы, выполняющие функции контроля, относятся к автоматическим системам контроля (САК) и являются одним из видов информационно-измерительных систем. Под контролем понимается процесс получения информации о состоянии объекта путем сравнения значений измеряемых параметров с допустимыми. Обычно САК применяют, когда объекты имеют большое число точек контроля, определяющих ход процесса, или процесс очень быстротечен. В функции САК входят измерение большого числа параметров, сравнение их с допустимыми значениями, регистрация значений или отклонений от установленных значений, сигнализация о ненормальных режимах, формирование базы данных, выдача информации на устройство отображения или автоматическую систему управления. Все операции САК выполняются по заданной программе. Каждая система контроля характеризуется техническими параметрами, к которым относятся: характер физических величин контроля, число контролируемых точек, точность измерения, быстродействие системы, расстояние объекта контроля от пульта оператора, вид регистрации измеряемых величин, параметры входного и выходного сигналов, стоимость. Основными элементами САК являются измерительные преобразователи (датчики). Сигнал от датчика, являющийся функцией измеряемой величины, проходит нормализацию до значения необходимого для работы АЦП. Кроме того, нормализатор может менять форму сигнала.

 

Свойства и характеристики объектов управления