Лекция Тема общие сведения об автоматических системах, функциях и параметрах элементов автоматики

Рубрики: Лекции

План

1. Основные понятия систем автоматизации

2.. Основные виды автоматизации.

3. Классификация систем автоматизации

Литература

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.

 

а) б)

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.

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:

? алгоритму функционирования;

? взаимодействию регулятора и объекта;

? принципу регулирования;

? закону управления;

? характеру управления.

В зависимости от алгоритма функционирования автоматические системы управления подразделяют на:

? стабилизирующие;

? адаптивные;

? следящая;

? автоматические;

? программные.

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

(1)

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.

(2)

И коэффициент статизма

(3)

А с учетом нечувствительности системы характеристика управления выражается следующим образом:

, (5)

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

Характеристики САР

Статическая

Астатическая

 

1

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

2

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:

— временная программа;

— параметрическая программа.

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:

—  пропорциональные;

—  интегральные;

—  пропорционально — интегральные;

—  пропорционально — дифференциальные;

—  пропорционально — интегральные – дифференциальные.

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

(6)

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):

(7)

 

А) б) в) д)

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:

(8)

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):

(9)

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

Выводы

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.

Метки: