1. Основные понятия и определения теории автоматического управле ния
 Скачать 4.71 Mb.
|
|
1. Основные понятия и определения теории автоматического управле- ния 1.1. Введение. Предмет дисциплины и ее задачи. 1.2. Основные понятия и определения автоматического управления технологическими процессами. 1.3. Блок – схема системы автоматического управления. Основные функциональные блоки САУ, элементы структурных схем. Информационный аспект управления. 1.4. Общие сведения о промышленных системах регулирования 1.5. Основные принципы управления (регулирования: по заданному воздействию, по возмущению, по отклонению, комбинированное). 1.1. Введение. Предмет дисциплины и ее задачи. Основой деятельности любого предприятия, цеха, участка и т. П. Является производственный процесс, под которым понимают организованную совокупность взаимосвязанных трудовых и технологических процессов, при реализации которых исходные материалы и полуфабрикаты превращаются в законченные изделия. Части производственного процесса, представляющие собой последовательность целенаправленных действий по получению из исходных материалов конечного продукта с требуемыми свойствами, называют технологическим процессом. С функциональной точ- ки зрения производственная система реализует исходный технологический процесс в виде процедур взаимодействия материального, информационного и энергетического потоков. Совокупность операций любого производственного процесса условно можно раз- бить на две группы: рабочие операции и операции управления. Рабочие операции — это действия, необходимые непосредственно для выполнения процесса в соответствии с природой и законами, определяющими ход процесса. Напри- мер, процесс обработки деталей, на станке состоит из рабочих операций: закрепление за- готовки (детали), подача резца, снятие стружки и др. Для достижения цели процесса рабочие операции должны организовываться и на- правляться действиями другого рода — операциями управления. Так, при изготовлении детали на станке совершаются следующие операции управления: своевременное включе- ние и отключение станка, поддержание заданного числа оборотов заготовки, целенаправ- ленное изменение скорости, направление перемещения резца и др. Совокупность опера- ций управления образует процесс управления. Определяющим фактором повышения эффективности процесса функционирования производственной системы является наличие мобильной и оптимальной по структуре сис- темы управления реального времени, адекватно отображающей протекающие в системе процессы. Полную или частичную замену операторов машинами и механизмами в рабочих операциях, выполняемых вручную, называют механизацией. При комплексной механиза- ции вручную осуществляется только то, что связано с затратами усилий на управление машинами. При механизации за человеком сохраняются функции контроля и управле- ния. В применении к любому производственному процессу степень автоматизации ха- рактеризуется частичным или полным освобождением человека от непосредственного выполнения функций управления производственными процессами и передачей этих функций автоматическим устройствам. Автоматическими называют устройства, которые управляют различными процессами и контролируют их без непосредственного вмеша- тельства человека. При этом не только высвобождается труд человека, но и повышается скорость и точность выполнения операций, значительно возрастает производительность и улучшаются условия труда, а также возможна сравнительно быстрая окупаемость перво- начальных затрат за счет снижения эксплуатационных расходов и повышения объема и качества выпускаемой продукции. Автоматизация — процесс совершенствования производства, характеризуемый прежде всего уменьшением потока информации от человека к машине и повышением рмостоятельности различных уровней и звеньев управления. Одна из эффективных возможностей повысить точность обработки и одновременно производительность — применение систем адаптивного управления, которые позволяют в зависимости от складывающихся производственных условий корректировать техноло- гический процесс в автоматическом режиме без участия рабочего. Приоритет в разработке теории адаптивного управления и создании первых в мире станков с адаптивными систе- мами принадлежит советской технологической школе, которую основал и возглавил док- тор технических наук Б. С. Балакшин. Адаптивные системы с успехом выполняют ряд ин- теллектуальных функций рабочего, высвобождая его из технологического процесса и пе- реводя в разряд наладчика. Различают несколько уровней автоматизации производства: 1) локальная автоматизация, т.е. автоматизация отдельных технологических опе- раций или единиц оборудования, построенная на базе узко специализированных по назна- чению автоматических регуляторов или широко универсальных систем, в которых, как правило, используют современные методы цифрового управления; функциональная гиб- кость локальных систем управления технологическим оборудованием определяет их ши- рокую универсальность и комплексность применения в различных сферах производства; 2) автоматизация совокупности технологических процессов, когда автоматизирова- ны связанные между собой технологические операции (процессы) или несколько единиц оборудования (автоматические линии, многоцелевые станки, транспортно-загрузочные роботы и др.); они обеспечивают автоматическую работу комплексов технологического оборудования, координированное функционирование большого числа локальных систем; необходимость в групповом управлении вызвана потребностями комплексной авто- матизации многофункциональных участков технологического оборудования или сложных многосвязных технологических циклов промышленного производства; 3) автоматизация управления производством, т.е. создание автоматизированных систем планирования и управления производством на базе вычислительной техники; та- кие системы используют при управлении как технологическими объектами, так и коллек- тивами людей, осуществляющими производственный процесс; на этом уровне большое значение придается организационному управлению, связанному преимущественно с ре- шением задач экономического характера, разработкой планов и производственных про- грамм на заданные сроки, управлением материальными потоками, запасами, роцесс нииием ритмичного хода производства, учетом и статистическим анализом со- стояния производства; 4) автоматизация инженерно-технической деятельности, когда автоматизируются проектирование, конструирование новых изделий, технологическая подготовка производ- ства; важными средствами такой автоматизации стали САПР. На первых двух уровнях главным образом применяют автоматические системы управления, хотя возможно применение и систем «человек-машина». На двух последних уровнях автоматизация осуществляется только системами «человек-машина». Это объяс- няется тем, что с переходом к более высокому уровню автоматизации приходится все большее внимание уделять автоматизации интеллектуальной, а не физической деятельно- сти человека. Следовательно, при разработке современных технологических, производственных, информационных и других систем возникают проблемы, меньше связанные с рассмотре- нием свойств и законов функционирования элементов, а больше — с выбором наилучшей структуры, оптимальной организации взаимодействия элементов системы, определения оптимальных режимов функционирования, учетом влияния внешней среды и т.д. Речь идет о том, что успешное осуществление программы автоматизации предъявляет новые требования к исследованию проблем развития производственных систем: повышение уровня системного мышления; повышение уровня строгости описания; использование но- вых методов исследования. Создание и эксплуатация подобных систем автоматизации на промышленном предприятии перестали быть функциями только специалистов по автоматизированному или автоматическому управлению. Они требуют различных форм участия практически всех групп административно-управленческого и инженерно-технического персонала. Сле- довательно, современный инженер, даже непосредственно не связанный по роду своей деятельности с автоматизацией управления, должен обладать достаточно широкими зна- ниями в этой области. Дисциплина «Автоматизированные системы управления технологическим роцесссом» состоит из трех разделов: теория автоматического управления, элементы и системы измерительной техники и автоматических устройств, проектирование систем ав- томатизации технологических процессов. В разделе «Теория автоматического управления» изучаются основные принципы построения автоматических систем в целом. В разделе «Элементы и системы измеритель- ной техники и автоматических устройств» изложены принципы построения и работы тех- нических средств автоматизации промышленных производств. Раздел «Проектирование систем автоматизации технологических процессов» знакомит с основными этапами по- строения систем автоматического и автоматизированного управления, содержанием ос- новной документации, сопутствующей каждому из этапов проектировании. При изучении дисциплины студент должен научиться анализировать аппараты и агрегаты как объекты управления; моделировать технологические процессы; проводить исследования и экспе- рименты по снятию статических и динамических характеристик объектов и систем авто- матического управления; осуществлять контроль качества выпускаемой продукции; со- действовать внедрению систем автоматического управления и автоматизированных сис- тем управления технологическими процессами; использовать современную вычислитель- ную технику; рассчитывать экономическую эффективность от внедрения средств измере- ний и систем автоматизации. Быть готовыми к внедрению автоматизированных систем управления технологическими процессами на базе микропроцессорной техники; разработ- ке системы метрологического обеспечения производства; разработке систем автоматизи- рованного проектирования. 1. 2 Основные понятия и определения автоматического управления технологиче- скими процессами. Теория автоматического управления изучает общие принципы построения систем автоматического управления и методы их исследования. Она имеет широкий общий смысл и может быть использована применительно к любым системам: техническим, биологиче- ским, экономическим и др. Управление — процесс организации такого целенаправленного воздействия на объ- ект, в результате которого объект переходит в требуемое (целевое) состояние. Более част- ным случаем понятия «управление» является понятие «регулирование». Регулирование со- стоит в достижении такой деятельности системы, при которой выравниваются все отклоне- ния на выходе системы от заданного значения этого состояния, т.е. от нормы. Основой управления является получение и обработка информации о состоянии объекта и внешних условиях его работы для определения воздействий на объект, обеспе- чивающих достижение цели управления. Управление, осуществляемое без участия человека в динамике работы объекта, называется автоматическим управлением. Следовательно: обеспечение требуемых значе- ний параметров, определяющих желаемый ход производственного или технологического процесса в том или ином объекте без участия человека, осуществляется системой (устрой- ством) автоматического регулирования. Автоматическое управление — это совокупность воздействий на объект (без не- посредственного участия человека), выбранных из множества возможных на основании определенной информации и направленных на поддержание или улучшение функциони- рования управляемого объекта в соответствии с целью управления. Автоматическое регулирование является частным случаем управления и позволяет сохранить постоянной или изменить по заданному закону некоторую величину, характе- ризующую процесс. Оно осуществляется путем оценки состояния объекта или действую- щих на него воздействий. Различают автоматические системы управления (САУ) и автоматизированные системы управления (АСУ). В САУ человек непосредственного участия в процессе управления не принимает. В АСУ предполагается непосредственное участие людей в про- цессах управления. Отличие АСУ от традиционной системы управления заключается в том, что часть управленческих работ (сбор, анализ и преобразование информации) выпол- няется с помощью ЭВМ. Производственный, технологический процесс или технический объект, нуждаю- щийся для определенного взаимодействия с другими объектами или процессами в специ- альном организованном управляющем воздействии, называют объектом управления (ОУ). Объектом управления может быть отдельный механизм, машина, станок, агрегат, бригада рабочих или отдельный рабочий, цех или все предприятие и др. Любой производственный, технологический процесс или технический объект ха- рактеризуются определенными физическими параметрами (расход вещества и энергии, режимы резания, температура, давление). Для обеспечения требуемого режима эти пара- метры необходимо поддерживать постоянными или изменять по определенному закону. Параметр производственного, технологического процесса или технического объекта, ко- торый необходимо поддерживать постоянным или изменять по определенному закону, называют управляемым (управляемой величиной y(t)). Значение управляемого параметра, которое согласно заданию должно быть в данный момент времени, называют заданным значением управляемого параметра (y 0 ). Комплекс устройств, присоединяемых к объекту управления и обеспечивающих автоматическое поддержание заданного значения его управляемой величины или автоматическое изменение последней по определенному закону, называют устройством управления (УУ) . Совокупность объекта управления и управляющего устройства, взаимодействие которых приводит к выполнению поставленной цели, называют системой автоматиче- ского управления (САУ). Факторы, влияющие на управляемую (регулируемую) величину, называются воз- действиями. Одни из них, формируемые устройством управления, называются управляю- щими; другие, вызывающие нежелательные изменения управляемой (регулируемой) вели- чины, — возмущающими. Объект управления схематично изображают так, как это показано на рис. 1. Сово- купность управляемых величин обозначена вектором Y{y 1, у 2 ,..., у п }, управляющих — век- тором U{u 1 , u 2 ,..., u m ), возмущающих — вектором F{f 1 , f 2 ,...,f r }. И так: Под управлением понимают процесс организации такого целенаправленно- го воздействия на объект управления, в результате которого последний переходит в требуемое (целевое) состояние. Управляющее воздействие на объект управления можно осуществить, если вы- полняются следующие условия: 1) любой процесс управления должен быть целенаправ- ленным, т. е. должна быть известна цель управления; 2) существует правило (совокуп- ность правил), позволяющих добиваться поставленной цели управления в различных си- туациях; 3) существует управляющее устройство, способное создавать в соответствии с правилом управления и целью управления управляющее воздействие. 1. 3 Блок – схема системы автоматического управления. Основные функцио- нальные блоки САУ, элементы структурных схем. Информационный аспект управления. Структурная схема САУ (рис.1.1а) содержит объект управления ОУ и управляю- щее устройство УУ. Состояние объекта характеризуется вектором Y, компонентами кото- рого являются отдельные выходные (управляемые) величины y i (t). От управляющего уст- ройства на вход объекта поступает управляющее воздействие u(t) (U). К объекту прило- жено также возмущающее воздействие (возмущение, помеха) F, которое изменяет состоя- ние объекта, т.е. Y, препятствуя или способствуя управлению. На вход управляющего устройства подается задающее воздействие (задание) G, содержащее информацию о тре- буемом значении управляемой величины Y (y 0 ) , т.е. цели управления. Переменные U, G и F в общем случае являются векторами, как и Y. Как показано на рис.1.1а , в самом общем случае на вход управляющего устройства, помимо задающего воздействия G, поступает также информация о текущем состоянии объекта Y и о воздействующем на объект возму- щении F. Управляющее устройство перерабатывает получаемую информацию по опреде- ленному алгоритму. В результате на его выходе возникает управляющее воздействие. На рис.1.1б изображена функциональная схема САУ, на которой показаны со- ставные части управляющего устройства: устройство измерения УИ, вычислительное уст- ройство ВУ и исполнительное устройство (исполнительный механизм) ИУ. УИ служит для измерения переменных Y, G, F. ВУ реализует алгоритм работы управляющего устройства. ИУ предназначено для непосредственного управления объек- том, т.е. изменения его состояния в соответствии с сигналом, выдаваемым вычислитель- ным устройством. Рисунок 1.1 – Блок схема системы автоматического управления Современные системы управления сложными объектами промышленной техноло- гии строятся по иерархическому принципу. Это значит, что система управления такими объектами расчленяется на ряд систем, стоящие на разных уровнях подчинения. Система более высокого ранга, ориентируясь на общий (глобальный) критерий управления, выдает команды на включение или отключение отдельных локальных объектов, а также осущест- вляет выбор частных критериев управления этими объектами. Локальные системы управ- ления осуществляют поддержание заданных оптимальных режимов как в пусковых, так и в нормальных эксплуатационных условиях. Являясь нижним иерархическим уровнем ав- томатических систем управления промышленными объектами, локальные системы осуще- ствляют функции измерения, контроля и регулирования основных технологических пара- метров, характеризующих состояние технологического процесса. Количество регулируе- мых параметров в отдельно взятой локальной системе управления невелико и составляет один или два параметра. Из общего числа систем управления современным производст- вом локальные системы составляют около 80%. Качество работы локальных систем управления во многом определяет стабильность и качество выходного продукта, а следо- вательно и рентабельность производства. |