САИПР Практ. работы. Практические работы_САиПР. Фгбоу во росбиотех практические работы
 Скачать 0.86 Mb.
|
|
ФГБОУ ВО «РОСБИОТЕХ» ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ по дисциплине «Системный анализ и принятие решений» для студентов направления подготовки 27.03.04 «Управление в технических системах» и 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств» Москва, 2023 2 УДК 519.711 Практические работы по дисциплине «Системный анализ и принятие решений» для студентов направления подготовки 27.03.04 «Управление в технических системах» и 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств» / сост. Чернышев Н. Н. – Москва, 2023. - 26 с. Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки 27.03.04 «Управление в технических системах» и 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств». Составитель: доц. Чернышев Н. Н. 3 СОДЕРЖАНИЕ Практическая работа №1 на тему «Построение модели черного ящика для объекта управления» ............................................................................................... 4 Практическая работа №2 на тему «Анализ проблемной ситуации. Построение дерева целей для системы управления» .............................................................. 10 Практическая работа №3 на тему «Формирование функций и требований к системе управления» ............................................................................................. 15 Практическая работа №4 на тему «Разработка вариантов концепции системы управления» ........................................................................................................... 21 4 Практическая работа №1 на тему «Построение модели черного ящика для объекта управления» Цель работы – приобретение практических навыков анализа объекта управления и его особенностей функционирования, существенных для построения модели черного ящика. Краткие теоретические сведения Одним из способов выделения системы из окружающей среды является построение модели черного ящика. Модель черного ящика показывает результат выделения рассматриваемого объекта или процесса из окружающей системы. На этом этапе как устроена система (то есть каков ее состав и структура) - неизвестно, известны (доступны для наблюдения) входы в систему и выходы из нее (рис. 1). Рис. 1. Принцип модели «черного ящика» На уровне математического описания системы, отсутствие информации о составе и структуре системы выражается в том, что на этапе разработки модели черного ящика неизвестны зависимости выходных параметров от входных данных. В зависимости от выбранной точки зрения для одного и того же рассматриваемого объекта или процесса могут быть выделены различные наборы входных и выходных воздействий, представляющих основу интерфейса системы с внешней средой. С позиции системного подхода, интерфейс - совокупность методов и средств взаимодействия или между элементами системы (внутренний интерфейс), или между системой и окружающей средой (внешний интерфейс). При использовании системного подхода для проектирования различных технических систем, модель черного ящика является базисом для разработки внешнего интерфейса. Чтобы разработать эффективную модель черного ящика, следует описывать входные и выходные воздействия на параметрическом уровне с обязательным указанием единиц измерения. Выделенные параметры в дальнейшем должны составить основу математической постановки задач системного исследования рассматриваемого объекта или процесса - задач 5 синтеза, управления или принятия решения. Несмотря на кажущуюся простоту рассматриваемой модели, построение эффективного черного ящика является задачей особой сложности. Это связано с невозможностью однозначно и информативно подобрать параметры, характеризующие входные и выходные воздействия системы в рамках рассматриваемой задачи на начальном этапе ее исследования. Выбор ключевых параметров, характеризующих входные или выходные воздействия системы следует проводить, опираясь на две главнейшие характеристики: - информативность рассматриваемого параметра. Информативность определяется объемом и важностью информации, полезной для решаемой задачи исследования; - простота измерения или вычисления. Построение модели черного ящика в статике выполняется посредством последовательного выполнения следующих этапов: 1) выделить исследуемый объект из окружающей среды и записать его название внутри прямоугольника; 2) определить точку зрения на модель и цели моделирования; 3) определить выходные воздействия системы и подобрать параметры, их характеризующие с обязательным указанием единиц измерения; 4) определить возмущающие воздействия (исходят от надсистемы), подобрать параметры, их характеризующие с указанием единиц измерения; 5) определить управляющие воздействия (то, что нужно объекту исследования для получения выходного результата), подобрать параметры, их характеризующие с обязательным указанием единиц измерения. При построении модели черного ящика в динамике, входные воздействия характеризуют начальное состояние системы, а выходные - конечное состояние системы. Объект управления с точки зрения теории автоматического управления - это техническое устройство или технологический процесс, способные воспринимать внешние воздействия и реагировать на них изменением своего состояния и поведения [2]. Состояние и поведение объекта управления характеризуется некоторыми физическими величинами и их изменением во времени. Это могут быть температура, скорость, уровень жидкости и т.д. Эти величины могут быть измерены, т.е. в принципе поддаются измерению, прямому или косвенному. Объект управления способен воспринимать внешние, входные физические воздействия (управляющие и возмущающие) и реагировать на них изменением значений выходных, управляемых величин. В этом состоит причинно- следственная связь воздействий и отклика объекта, т.е. его реакции на воздействия. Для объекта управления можно указать точки, куда прикладываются внешние воздействия (входы объекта), и точки, где может быть измерена его реакция (выход объекта) на эти воздействия. Выход объекта управления может быть присоединен ко входу другого объекта, также как и воздействия на объект 6 являются выходными величинами других объектов. Например, если в качестве ОУ взять двигатель постоянного тока с независимым возбуждением, то его схематическое представление как объекта будет иметь вид на рис. 2. Рис. 2. Двигатели постоянного тока, схематическое представление объекта управления, характеризующей его физической управляемой величиной (частотой вращения вала) и внешних воздействий на него: управляющей (напряжение на якоре) и возмущающей физических величин (момент сопротивления на валу) Объект на функциональной схеме представляется прямоугольником, а воздействия на него и его реакция – стрелками Управляемая величина объекта – физическая величина, характеризующая объект, значение которой требуется в соответствии с задачей управления поддерживать на некотором уровне или менять с течением времени по требуемому закону. Управляемая величина подвержена влиянию управляющей величины и возмущения. Управляемыми величинами могут быть температура в печи, давление в котле, направление и скорость движения автомобиля, и многие другие. Управляющая величина объекта – физическая величина, действие которой на объект сказывается на значении управляемой величины, и которую система управления может целенаправленно изменять в процессе управления. Возмущение – физическая величина, сказывающаяся негативно на управляемой величине, отклоняющая последнюю от требуемого ее значения. Система управления не может влиять на значение возмущения, но может изменением управляющей величины компенсировать в той или иной мере влияние возмущения на управляемую величину. Задание на практическую работу В соответствии с вариантом выполнить описание процесса с помощью модели черного ящика. Варианты 1, 16 – Система автоматизации непрерывного дозирования материалов [1, с. 89-90 (рис. 7.1)]. Варианты 2, 17 – Система автоматизации смешения [1, с. 90-91 (рис. 7.2)]. Варианты 3, 18 – Система автоматизации сушки [1, с. 92-94 (рис. 7.3)]. Варианты 4, 19 – Система автоматизации химико-технологических процессов [1, с. 94-95 (рис. 7.4)]. 7 Варианты 5, 20 – Процесс тестоприготовления. Регулирование расходов сыпучих и жидких компонентов, подаваемых дозаторами [1, с. 115-121 (рис. 9.3)]. Варианты 6, 21 – Процесс тестоприготовления. Регулирование (стабилизации) влажности теста (опары) [1, с. 115-121 (рис. 9.2, а)]. Варианты 7, 22 – Процесс выпечка хлеба. Управление запальными устройствами для розжига печи [1, с. 121-124 (рис. 9.4)]. Варианты 8, 23 – Процесс выпечка хлеба. Регулирование температуры среды в пекарной камере [1, с. 121-124 (рис. 9.4)]. Варианты 9, 24 – Процесс выпечка хлеба. Стабилизация паровлажностного режима в пекарной камере [1, с. 121-124 (рис. 9.4)]. Варианты 10, 25 – Процесс макаронного производства. Регулирование температуры и окончательной влажности воздуха по зонам сушилок [1, с. 124- 127 (рис. 9.5)]. Варианты 11, 26 – Система автоматизации периодического процесса приготовления питательной среды в производстве хлебопекарных дрожжей [1, с. 130-131 (рис. 10.2)]. Варианты 12, 27 – Система автоматизации приемки винограда на заводах первичной переработки сырья [1, с. 198-200 (рис. 13.4)]. Варианты 13, 28 – Система автоматизации мойки в бутыломоечной машине [1, с. 201-203 (рис. 13.6)]. Варианты 14, 29 – Система автоматизации отделения очистки сиропа [1, с. 166-167 (рис. 11.7)]. Варианты 15, 30 – Система автоматизации роспускного отделения [1, с. 164-167 (рис. 11.6)]. Методические указания по выполнению работы Каждый студент выполняет свой вариант. По результатам работы формируется отчет, содержащий подробное решение задачи. Работа выполняется на компьютере, с применением программ MS Word. В результате проведенных исследований должен быть составлен аналитический отчет, который должен содержать следующую информацию: 1. Основные конструктивные, технологические и технико- эксплуатационные характеристики объекта управления. 2. Модель черного ящика для объекта управления. Подробный процесс построения черного ящика отображен в приведенном ниже примере. Пример выполнения задания Для примера, в качестве объекта исследования рассмотрим процесс приготовления сиропа в варочном котле. Цель управления процесса сироповарения заключается в обеспечении нагрева содержимого и поддержания высокой температуры в течение нужного 8 времени, а также путем постоянного перемешивания придать однородность массе изготовляемого продукта. В качестве объекта управления при автоматизации процесса приготовления сиропа представлен колероварочный котел СК-П-100. При разработке функциональной схемы автоматизации особенно важен правильный выбор технологических параметров, подлежащих автоматическому регулированию. Обычно для решения этой задачи исходят из известных логических зависимостей между параметрами, влияющими на процесс, и параметрами, характеризующими ход процесса. В качестве регулируемых величин следует выбирать параметры, непосредственно влияющие на качество готовой продукции, на весь ход технологического процесса. Это прежде всего величины, от которых в наибольшей степени зависят производительность и экономичность работы агрегата, химические и физические свойства продукта на выходе из него. При выборе регулируемых параметров необходимо учитывать главным образом экономический эффект от внедрения автоматики. Регулирующее воздействие системы должно обеспечить наиболее полное и быстрое изменение регулируемого параметра в требуемом направлении. Вместе с тем регулирующее воздействие одной системы по возможности не должно мешать работе соседних систем. Непрерывно контролируемые технологические параметры должны наиболее полно отражать ход автоматизируемого процесса и состояние технологического оборудования. Эти величины должны, прежде всего, отражать качество готового продукта, производительность оборудования и экономичность процесса. Кроме того, для наблюдения за режимом работы систем автоматического регулирования необходим непрерывный контроль всех регулируемых параметров. При этом установка каждой системы контроля должна быть строго обоснована, так как завышение без особой необходимости числа контрольно–измерительных приборов уменьшает экономическую эффективность от внедрения автоматики. Выбор технологических переменных, адекватно характеризующие протекание процесса и, соответственно, подлежат контролю и регулированию (рис. 3) Котел для варки сиропа F пара T сиропа V сиропа Т пара Рис. 3. Модель «черный ящик» процесса приготовления сиропа в котле 9 Управляющие переменные - расход пара F пара Управляемые переменные - температура сиропа Т сиропа Возмущающие переменные - температура пара Т пара , объем сиропа V сиропа Контрольные вопросы и задания 1. Привести примеры технических объектов и технологий механизации, автоматизации и кибернетизации 2. Перечислить классификации систем. Привести примеры детерминированных, стохастических, диффузных, самоорганизующихся систем. 3. Перечислить и кратко охарактеризовать основные этапы проведения системного исследования. Какие из перечисленных этапов относят к неформализованным, а какие - к формализованным? Почему? 4. Что такое модель? Для чего это понятие используется при проведении системных исследований? 5. Какие требования предъявляются к моделям? 6. Перечислить и кратко охарактеризовать методы моделирования систем. 7. Какие типы моделей систем выделяют? 8. Чем отличаются модели черного ящика для статических систем и динамических систем? 9. Какую модель при проведении системного исследования строят в первую очередь? 10. Что такое интерфейс системы? 11. Пояснить, как соотносится интерфейс системы с моделью черного ящика системы. 12. При решении каких профессиональных задач системный аналитик использует модель черного ящика? Рекомендуемая литература 1. Автоматика и автоматизация пищевых производств [Текст] : учеб. пособие для вузов / М. М. Благовещенская и др. - Москва : Агропромиздат, 1991. - 239 с. 2. Ким Д. П. Теория автоматического управления. Т. 1. Линейные системы. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 288 с. 10 Практическая работа №2 на тему «Анализ проблемной ситуации. Построение дерева целей для системы управления» Цель работы – приобретение практических навыков анализа объекта управления и его особенностей функционирования, существенных для построения дерева целей системы управления. Краткие теоретические сведения Метод «дерева целей» широко применяется в разработке стратегических планов компании, личных идей, сложных технических систем. Он позволяет: - выявить узкие места; - понять над чем работать в ближайшее время; - декомпозировать процессы. Дерево целей представляет собой упорядоченную иерархию целей, характеризующую их соподчиненность и внутренние взаимосвязи. Процесс конкретизации целей от высших уровней к низшим напоминает процесс разрастания дерева (только растет оно сверху вниз). Структура целей изображается в виде ветвящегося рисунка, называемого «деревом целей. Формулировка целей системы управления должна, как правило [2]: - начинаться с глагола в повелительном наклонении в неопределенной форме, определять и раскрывать сущность необходимости реализации конкретного действия, (например, увеличить, разработать и т.п.); - определять желаемый конечный результат в количественном и качественном выражениях и обеспечивать возможность измерения количественных показателей, что необходимо для контроля достижения цели («уменьшить количество выпуска бракованной продукции на 10%»); - указывать на источники и объемы выделяемых ресурсов (например, «за счет реализации автоматического управления температурой» и т.п.); - целесообразно раскрывать то, что необходимо выполнить. Примеры формулирования целей: - повышение эффективности работы пищевого предприятия на 5% за счёт разработки и внедрения автоматизированной системы управления технологическим манипулятором с несколькими степенями свободы на основе имитационной модели; - обеспечить выпуск консервов в соответствии с техническим регламентов за счет разработки автоматической системы стабилизации заданных параметров автоклава в соответствии запрограммированной формуле стерилизации. При построении «дерева целей» исходят из следующих положений: - все «дерево целей» есть не что иное, как единая, но детализированная цель рассматриваемой системы; - построение дерева целей осуществляется от общей цели к частным (сверху вниз) в отличие от его анализа, который проводится в обратном направлении; 11 - развитие дерева целей идет вглубь, то есть количество вершин на каждом следующем уровне не должно быть меньше количества вершин на предыдущем уровне; - декомпозиция целей на подцели осуществляется таким образом, чтобы можно было оценить вклад каждой подцели в достижение родительской цели, при этом сами подцели выступают как цели по отношению к следующей, более низкой ступени иерархии; - построение дерева целей завершается по достижении уровня, на котором, начальная цель не станет простой и возможной для исполнения. Возможны различные принципы детализации «дерева целей»: - предметный принцип (цели разбиваются на подцели той же природы, только более дробные); - функциональный принцип (выявляются отдельные функции, совокупность которых определяет содержание детализируемой цели); - принцип детализации по этапам производственного цикла (производство, потребление, распределение, обмен и проч.); - принцип детализации по этапам принятия решения; - принцип адресности; - принцип детализации по составным элементам процесса производства (подцели конкретизируются по месту исполнения). Графически принципиальная схема «дерева целей» отображается в виде иерархической диаграммы (рис. 1). Рис. 1. Фрагмент дерева целей При построении «дерева целей» необходимо обеспечить [2]: - конкретность формулировок; - сопоставимость целей каждого уровня по масштабу и значению; - измеримость целей; - конъюнктивность (объединение понятий подцелей полностью определяет понятие соответствующей цели). К каждой из определяемых на нижнем уровне детализации целей, насколько это возможно, применяются требования SMART (Specific - конкретная; Measurable - измеримая; Achievable - достижимая; Realistic - реалистичная; Timed - ограниченная по времени). 12 «Дерево целей» используется, прежде всего для описательных, а не нормативных целей. Достоинства метода «дерева целей»: 1. Легкость восприятия (наглядная графическая схема воспринимается проще, чем текст). 2. Иерархичность и взаимосвязь (все этапы логично переходят из одного в другой, и реализация одного шага ведет к достижению другого). 3. Структурированность (определены исполнители, последовательность выполнения и необходимые ресурсы для каждой подцели). 4. Персонализация (технология подстраивается под специфику организации и личностные особенности). 5. Простота контроля (заранее известны сроки и этапы исполнения). Недостатки метода «дерева целей»: 1. Неправильно выделенные шаги не приведут к должному результату, поэтому так важно правильно формулировать и определять критерии измерения достижения результата. 2. Невозможность вносить изменения. Если в процессе оказывается, что какой-то этап не реализовать, придется менять строение всего дерева и начинать заново. 3. Невозможность заменить одну стадию на другую или пропустить какой- то шаг поскольку все ветки тесно связаны между собой. Задание на практическую работу В соответствии с вариантом выполнить составление «дерева целей» для процесса, которые можно достичь за счет разработки системы автоматизации. Варианты 1, 16 – Система автоматизации непрерывного дозирования материалов [1, с. 89-90 (рис. 7.1)]. Варианты 2, 17 – Система автоматизации смешения [1, с. 90-91 (рис. 7.2)]. Варианты 3, 18 – Система автоматизации сушки [1, с. 92-94 (рис. 7.3)]. Варианты 4, 19 – Система автоматизации химико-технологических процессов [1, с. 94-95 (рис. 7.4)]. Варианты 5, 20 – Процесс тестоприготовления. Регулирование расходов сыпучих и жидких компонентов, подаваемых дозаторами [1, с. 115-121 (рис. 9.3)]. Варианты 6, 21 – Процесс тестоприготовления. Регулирование (стабилизации) влажности теста (опары) [1, с. 115-121 (рис. 9.2, а)]. Варианты 7, 22 – Процесс выпечка хлеба. Управление запальными устройствами для розжига печи [1, с. 121-124 (рис. 9.4)]. Варианты 8, 23 – Процесс выпечка хлеба. Регулирование температуры среды в пекарной камере [1, с. 121-124 (рис. 9.4)]. Варианты 9, 24 – Процесс выпечка хлеба. Стабилизация паровлажностного режима в пекарной камере [1, с. 121-124 (рис. 9.4)]. Варианты 10, 25 – Процесс макаронного производства. Регулирование температуры и окончательной влажности воздуха по зонам сушилок [1, с. 124- 13 127 (рис. 9.5)]. Варианты 11, 26 – Система автоматизации периодического процесса приготовления питательной среды в производстве хлебопекарных дрожжей [1, с. 130-131 (рис. 10.2)]. Варианты 12, 27 – Система автоматизации приемки винограда на заводах первичной переработки сырья [1, с. 198-200 (рис. 13.4)]. Варианты 13, 28 – Система автоматизации мойки в бутыломоечной машине [1, с. 201-203 (рис. 13.6)]. Варианты 14, 29 – Система автоматизации отделения очистки сиропа [1, с. 166-167 (рис. 11.7)]. Варианты 15, 30 – Система автоматизации роспускного отделения [1, с. 164-167 (рис. 11.6)]. Методические указания по выполнению работы Каждый студент выполняет свой вариант. По результатам работы формируется отчет, содержащий подробное решение задачи. Работа выполняется на компьютере, с применением программ MS Word. В результате проведенных исследований должен быть составлен аналитический отчет, который должен содержать следующую информацию: 1. Обоснование необходимости создания (совершенствования) системы автоматического или автоматизированного управления. 2. Сформулирована общая цель (производственно-хозяйственная, научно- техническая или экономическая) создания системы автоматического или автоматизированного управления. 3. Построено «дерево целей». Пример выполнения задания Развитие автоматизации идет по пути усложнения моделей управляющих систем с целью полного и адекватного описания процессов взаимодействия систем автоматического (автоматизированного) управления и реального мира, что позволило эффективно построить процесс управления и максимально разгрузить участвующего в этом процессе человека, взяв на себя определенные функции по управлению объектом. Перед руководителем пищевого предприятия стоит цель увеличения прибыли от реализации своей продукции за счет разработки системы автоматизированного управления бизнес процессами Для начала рассмотрим, какие существуют пути достижения поставленной цели, то есть увеличения прибыли. Прибыль можно увеличить путем выполнения следующих условий: - расширить ассортимент; - внедрить методы стимулирования рынка; - провести рекламную кампанию. 14 В итоге проведенного анализа, получено дерево целей, которое представлено на рисунке 2. Реализация каждого из этих направлений подразумевает ряд задач. Для расширения ассортимента необходимо выявить, какие именно ассортиментные позиции добавлять, потому необходимо провести опрос и анкетирование покупателей, а затем внедрить в производство новый товар. Методы стимулирования рынка, как правило, подразумевают проведение конкурсов, розыгрышей, лотерей и оказание дополнительных услуг. Для рекламной кампании необходимо сделать рекламу и осуществить бесплатную дегустацию продукции в супермаркетах. Рис. 2. Дерево целей пищевого предприятия Контрольные вопросы и задания 1. Что такое «дерево целей»? 2. Каков порядок построения дерева целей? 3. Что представляет собой фундамент дерева целей? 4. В чем основной смысл построения дерева целей? 5. На какое количество элементов рекомендуется делить цель по горизонтали и по вертикали при построении дерева? Рекомендуемая литература 1. Автоматика и автоматизация пищевых производств [Текст] : учеб. пособие для вузов / М. М. Благовещенская и др. - Москва : Агропромиздат, 1991. - 239 с. 2. Мишин В.М. Исследование систем управления: Учебник для вузов. -М.: ЮНИТИ-ДАНА. 2003. - 527 с. 15 Практическая работа №3 на тему «Формирование функций и требований к системе управления» Цель работы – приобретение практических навыков анализа объекта управления и его особенностей функционирования, существенных для построения разрабатываемой системы управления. Краткие теоретические сведения Структура процесса проектирования любой технической системы, в том числе и систем автоматического или автоматизированного управления представляет собой последовательность стадий, описывающих общий ход проектирования, в рамках которого возможно логическое развитие разработки. В соответствии с ГОСТ 34.601-90 первой стадией выступает «Формирование требований к системе» включающая следующие этапы: 1. Обследование объекта и обоснование необходимости создания системы управления: - сбор данных об объекте автоматизации и осуществляемых видах деятельности; - оценку качества функционирования объекта и осуществляемых видах деятельности, выявление проблем, решение которых возможно средствами автоматизации; - оценку (технико-экономической, социальной и т.д.) целесообразности создания системы управления. 2. Формирование требований пользователя к системе управления: - подготовку исходных данных для формирования требований системе управления (характеристика объекта автоматизации, описание требований к системе, ограничения допустимых затрат на разработку, ввод в действие и эксплуатацию, эффект, ожидаемый от системы, условия создания и функционирования системы); - формулировку и оформление требований пользователя к системе управления. Функции системы автоматического (автоматизированного) управления подразделяются на: 1. Защитные функции реализуют защиту оборудования и человека во внештатных ситуациях. Они включают в себя: технологическую защиту и аварийную защиту. 2. Управляющие функции - результатом работы этих функций является выработка и реализация управляющих воздействий на объект управления. К управляющим функциям относятся: регулирование и стабилизация отдельных параметров; логическое управление; программное логическое управление; оптимальное управление режимами; адаптивное управление. 3. Информационные функции реализуют сбор, обработку и представление информации о состоянии автоматизированного объекта оперативному персоналу или передача этой информации для последующей обработки. К 16 информационным функциям относятся: измерение параметров; контроль параметров; вычисление параметров; формирование и выдача данных оперативному персоналу; подготовка и передача информации в смежные системы управления; обобщённая оценка и прогноз состояния автоматизированного комплекса и оборудования. 4. Вспомогательные функции. Требование - это условие или возможность, которой должна соответствовать система. Изложение требований к системе управления преследует следующие цели [2]: - добиться одинакового понимания заказчиком, пользователем и разработчиком того, что должна делать система; - предоставить разработчикам системы наилучшее понимание требований к системе; - определить граничные условия системы; - определить интерфейс пользователей и объекта управления с системой; - обеспечить базу для планирования работ по созданию системы. Категории главных требований к системе управления определяются по системе FURPS+ (разработана Робертом Грэйди из Hewlett-Packard в 1992 году). Сокращение FURPS расшифровывается на рис. 1. Рис. 1. Классификация требований FURPS+ В общем требования пользователя можно выразить следующим образом: 1. Наименование и область применения устройства (системы). 1.1 Полное наименование объекта проектирования (в соответствии с темой дипломного проекта), условное обозначение (может отсутствовать). 1.2 Область применения (в соответствии с темой проекта, возможные области применения). 1.3. Общая характеристика объекта, в котором используется изделие. 17 2. Цель и назначение разработки. 2.1 Цель разработки – формулируется тот технико-экономический либо социальный эффект, который должен быть обеспечен данной разработкой. 2.2 Назначение разработки – приводится перечень основных и вспомогательных функций объекта проектирования (разработки). 3. Технические требования. 3.1 Состав изделия и требования к его конструкции: 3.1.1 Наименование, количество и назначение составных частей – приводится перечень конструктивных единиц на уровне функциональных блоков, субблоков, плат, указывается их назначение. 3.1.2 Конструктивные требования к изделию и составным частям (размеры, крепление, разъемы и т.д.) 3.1.3 Масса и ограничения по массе. 3.1.4 Требования по устойчивости к внешним воздействиям, помехам, взаимозаменяемости. 3.2 Показатели назначения – основные технические параметры, изделия (коэффициент передачи, чувствительность, статическая и динамическая ошибки, число каналов или функций, глубина диагностирования и т.п.). 3.3 Требования к надежности: критерий отказа, показатели безотказности и ремонтопригодности. Оба показателя должны быть не ниже нормативных. 3.4 Требования к технологичности, унификации и стандартизации. 3.5 Требования безопасности. 3.6 Эстетические и эргономические требования. 3.7 Условия эксплуатации, при которых должна обеспечиваться работа изделия с заданными показателями: - допустимые воздействия климатических факторов и механических воздействий; - условия взаимодействия данного изделия с другими при эксплуатации. 4. Экономические показатели (ориентировочная экономическая эффективность и срок окупаемости затрат на разработку и освоение производства изделия, лимитная цена, предполагаемая годовая потребность в изделии, экономические преимущества по сравнению с лучшими отечественными и зарубежными образцами). Задание на практическую работу В соответствии с вариантом сформулировать требования к системе управления для рассматриваемого процесса. Варианты 1, 16 – Система автоматизации непрерывного дозирования материалов [1, с. 89-90 (рис. 7.1)]. Варианты 2, 17 – Система автоматизации смешения [1, с. 90-91 (рис. 7.2)]. Варианты 3, 18 – Система автоматизации сушки [1, с. 92-94 (рис. 7.3)]. Варианты 4, 19 – Система автоматизации химико-технологических процессов [1, с. 94-95 (рис. 7.4)]. 18 Варианты 5, 20 – Процесс тестоприготовления. Регулирование расходов сыпучих и жидких компонентов, подаваемых дозаторами [1, с. 115-121 (рис. 9.3)]. Варианты 6, 21 – Процесс тестоприготовления. Регулирование (стабилизации) влажности теста (опары) [1, с. 115-121 (рис. 9.2, а)]. Варианты 7, 22 – Процесс выпечка хлеба. Управление запальными устройствами для розжига печи [1, с. 121-124 (рис. 9.4)]. Варианты 8, 23 – Процесс выпечка хлеба. Регулирование температуры среды в пекарной камере [1, с. 121-124 (рис. 9.4)]. Варианты 9, 24 – Процесс выпечка хлеба. Стабилизация паровлажностного режима в пекарной камере [1, с. 121-124 (рис. 9.4)]. Варианты 10, 25 – Процесс макаронного производства. Регулирование температуры и окончательной влажности воздуха по зонам сушилок [1, с. 124- 127 (рис. 9.5)]. Варианты 11, 26 – Система автоматизации периодического процесса приготовления питательной среды в производстве хлебопекарных дрожжей [1, с. 130-131 (рис. 10.2)]. Варианты 12, 27 – Система автоматизации приемки винограда на заводах первичной переработки сырья [1, с. 198-200 (рис. 13.4)]. Варианты 13, 28 – Система автоматизации мойки в бутыломоечной машине [1, с. 201-203 (рис. 13.6)]. Варианты 14, 29 – Система автоматизации отделения очистки сиропа [1, с. 166-167 (рис. 11.7)]. Варианты 15, 30 – Система автоматизации роспускного отделения [1, с. 164-167 (рис. 11.6)]. Методические указания по выполнению работы Каждый студент выполняет свой вариант. По результатам работы формируется отчет, содержащий подробное решение задачи. Работа выполняется на компьютере, с применением программ MS Word. В результате проведенных исследований должен быть составлен аналитический отчет, который должен содержать следующую информацию: 1. Функции создаваемой системы автоматического или автоматизированного управления. 2. Основные требования пользователя к системе автоматического или автоматизированного управления. Пример выполнения задания Функции системы автоматического управления Система управления приготовления теста обеспечивает выполнение нижеследующих функций: - регулирование расхода муки, подаваемых дозатором; - регулирование продолжительности брожения теста; 19 - регулирование степени интенсивности механической обработки теста при замесе в тестомесильной машине; - световая и звуковая сигнализацию об отклонениях от заданного режима работы оборудования; - контроль и сигнализация наличия уровня компонентов в расходных емкостях и дозаторе; - контроль потребляемой мощности при замесе; - ручной и автоматический режим управления механизмами агрегата; - автоматическая блокировка для отключения механизмов при возникновении аварийных режимов. Сформулируем требования пользователя к системе управления процессом производства теста. 1. Наименование и область применения системы. 1.1 Наименование – система автоматического управления процессом производства теста. 1.2 Область применения – хлебопекарное и кондитерское производство. 2. Цель и назначения разработки. 2.1 Цель – повышение качества готового теста за счет разработки системы автоматического управления процессом приготовления теста с соблюдением норм технологического регламента. 2.2 Назначение – программное управление технологическим оборудованием приготовления теста. Организация взаимодействия с оперативным и обслуживающим персоналом, протоколирование событий и накопления статистических данных. 3. Технические требования. 3.1 Состав системы и требования к ее конструкции: 3.1.1 Наименование, количество и назначения составных частей: - датчик для измерения температуры в весовом дозаторе муки, бункере опары и в тестомесильной машине – 3 шт; - датчик для измерения уровня в бункере весового дозатора муки и опары – 2 шт; - датчик для измерения влажности теста – 1 шт; - датчик для измерения количества приготовленного теста – 1 шт; - дозатор муки – 1 шт; - промышленный контроллер реализует логику управления – 1 шт; - компьютер оператора для дистанционного управления – 1 шт; - исполнительный механизм – 1шт. 3.1.2 Конструктивные ограничения. Элементы приборов, которые не расположенные непосредственно на объекте управления должны обеспечивать монтаж на DIN-рейке. 3.1.3 Ограничений по массе не накладывается. 3.1.4 Требования устойчивости к внешним влияниям, взаимозаменяемости на устройство не накладываются. 3.2. Показатели качества: 20 1) для регулирования влажности теста: заданное значение – 28 %; статическая ошибка - ±5%; допустимый диапазон изменения – ±5 % . 2) диапазон измерения температуры от 5 до 50 0 С с погрешностью не больше 5%; 3) диапазон измерения расхода от 0,01 до 1 кг/с с погрешностью не больше 5%; 4) диапазон измерения уровня от 0,01 до 2 м с погрешностью не больше 5%; 5) диапазон измерения влажности от 10 до 80 % с погрешностью не больше 5%. 3.3 Требования к надежности: наработка на отказ – 25000 часов; среднее время восстановления – 1 час. 3.4 Требования к технологичности, унификации и стандартизации. Необходима поддержка сети Ethernet и RS-485 для обеспечения связи с системой управления предприятия. 3.5 Система должна обеспечивать возможность и удобство быстрого монтажа, демонтажа и ремонта отдельных узлов. Кроме того, система должна отвечать нормам пожарной, санитарной и электробезопасности. 3.6 Эстетичное и эргономичное требования. Элементы взаимодействия с оператором должны отвечать эргономичным требованиям, обеспечиваться доступ ко всем средствам управления и индикации. 3.7 Условия эксплуатации, при которых должна обеспечиваться работа системы с заданными показателями: температура внешнего среды от +15…+30 0C; относительная влажность до 70%. В процессе работы система не должна создавать электростатические и электромагнитные помехи, которые препятствуют работе других приборов и механизмов. Контрольные вопросы и задания 6. Почему важно правильно сформулировать требования к системе управления? 7. Каков порядок формулирования требований пользователя? 8. Что представляет собой требования FURPS+? 9. В чем основной смысл функциональных требований к системе управления? 10. В чем основной смысл требований по надежности к системе управления? Рекомендуемая литература 1. Автоматика и автоматизация пищевых производств [Текст] : учеб. пособие для вузов / М. М. Благовещенская и др. - Москва : Агропромиздат, 1991. - 239 с. 2. Нестеров А. Л. Проектирование АСУТП. Методическое пособие. Книга 1. – СПб, Издательство ДЕ АН, 2006. – 552 с. 21 Практическая работа №4 на тему «Разработка вариантов концепции системы управления» Цель работы – приобретение практических навыков анализа объекта управления и его особенностей функционирования, существенных для выбора концепции системы управления. Краткие теоретические сведения Концепция системы описывает основополагающую идею, закладываемую в реализацию системы автоматизации. В соответствии с ГОСТ 34.601-90 «Автоматизированные системы. Стадии создания» второй стадией процесса проектирования систем управления выступает «Разработка концепции системы»: - разработка альтернативных вариантов концепции, создаваемой системы автоматического / автоматизированного управления и планов их реализации; - оценка необходимых ресурсов на их реализацию и функционирование; - оценка преимуществ и недостатков каждого варианта; - оценка эффектов, получаемых от системы. Рекомендации по разработке концепции системы автоматизации: 1. Определение целей. На основании анализа целей и задач организации, уже имеющихся информационных ресурсов и планов их развития, а также ресурсов, доступных для разработки и эксплуатации системы, можно сформулировать цели проекта. При этом целесообразно учесть изменения целей, задач и ресурсов на несколько лет вперед. 2. Определение основных задач. Для конкретной системы автоматизации целесообразно указать (без детализации) конкретные задачи, которые должна решать эта система в течении следующих нескольких лет. 3. Определение допущений и рисков. На данном этапе желательно приближенно оценить использованные при предварительной оценке проекта допущения, а также возможные риски во время разработки и эксплуатации системы автоматизации. В качестве типового допущения обычно предполагается, что ресурсы на разработку и эксплуатацию системы автоматизации будут выделяться своевременно и в нужном объеме. Примером возможного риска является случай, когда руководство предполагает разработать систему автоматизации, взаимодействующую с интернетом, силами своих сотрудников, не имеющих такого опыта. 4. Согласование результатов анализа. Необходимо проводить в первую очередь с группами потенциальных пользователей. Целесообразно сразу предложить несколько вариантов системы автоматизации, различающихся набором функций и затратами на разработку и эксплуатацию: базовый вариант; более дешевый, с меньшим набором функций; более дорогой, с расширенными возможностями. Построение система автоматического управления (САУ) базируется на ряде общих принципов регулирования, основные из которых следующие [2]: 22 Рис. 1. Системы автоматического управления: а) по отклонению; б) по возмущению; в) комбинированная. 1. Принцип регулирования по отклонению поясняется схемой (рис. 1, а), состоящей из двух составных частей - объекта регулирования ОР и регулятора Р, взаимосвязанных между собой цепью обратной связи. Регулируемый параметр у(t) сравнивается с заданным значением g(t). На основании разности этих двух величин ε(t) = g(t) - у(t) вырабатывается регулирующее воздействие r(t). Величина ε(t), называемая отклонением или ошибкой системы регулирования, не должна превышать определенного значения. Отличительной чертой систем, построенных по данному принципу, является их универсальность. Это качество проявляется в том, что любое отклонение регулируемого параметра от его заданного значения вызывает появление регулирующего воздействия независимо от числа, вида и места приложения возмущений f(t). Одним регулирующим воздействием часто достигается удовлетворительная компенсация нескольких возмущений. Это особенно важно, когда объект регулирования подвержен воздействию многочисленных возмущений, влияние которых на регулируемый параметр невозможно предусмотреть. 2. Сущность принципа регулирования по возмущению или принципа компенсации, состоит в том, что из различных возмущений, действующих в системе, выбирается одно, главное, на которое и реагирует САУ (рис. 1, б). В этом случае компенсируется влияние на регулируемый параметр только основного возмущающего воздействия и регулирующее воздействие вырабатывается в системе в зависимости от результатов измерения основного возмущения, действующего на объект. Достоинство этого принципа регулирования заключается в том, что влияние возмущающего воздействия может быть устранено до того, как произойдет отклонение регулируемого параметра, так как регулятор действует на объект без запаздывания по отношению к возникшему возмущению. 3. Каждый из рассмотренных принципов регулирования — по отклонению и по возмущению — имеет свои достоинства и недостатки. Поэтому для 23 создания автоматических систем высокой точности обычно используют принцип комбинированного регулирования, сочетающий в себе оба принципа регулирования (рис. 1, в). Задание на практическую работу В соответствии с вариантом выполнить разработку концепции системы автоматизации для заданного процесса. Варианты 1, 16 – Система автоматизации непрерывного дозирования материалов [1, с. 89-90 (рис. 7.1)]. Варианты 2, 17 – Система автоматизации смешения [1, с. 90-91 (рис. 7.2)]. Варианты 3, 18 – Система автоматизации сушки [1, с. 92-94 (рис. 7.3)]. Варианты 4, 19 – Система автоматизации химико-технологических процессов [1, с. 94-95 (рис. 7.4)]. Варианты 5, 20 – Процесс тестоприготовления. Регулирование расходов сыпучих и жидких компонентов, подаваемых дозаторами [1, с. 115-121 (рис. 9.3)]. Варианты 6, 21 – Процесс тестоприготовления. Регулирование (стабилизации) влажности теста (опары) [1, с. 115-121 (рис. 9.2, а)]. Варианты 7, 22 – Процесс выпечка хлеба. Управление запальными устройствами для розжига печи [1, с. 121-124 (рис. 9.4)]. Варианты 8, 23 – Процесс выпечка хлеба. Регулирование температуры среды в пекарной камере [1, с. 121-124 (рис. 9.4)]. Варианты 9, 24 – Процесс выпечка хлеба. Стабилизация паровлажностного режима в пекарной камере [1, с. 121-124 (рис. 9.4)]. Варианты 10, 25 – Процесс макаронного производства. Регулирование температуры и окончательной влажности воздуха по зонам сушилок [1, с. 124- 127 (рис. 9.5)]. Варианты 11, 26 – Система автоматизации периодического процесса приготовления питательной среды в производстве хлебопекарных дрожжей [1, с. 130-131 (рис. 10.2)]. Варианты 12, 27 – Система автоматизации приемки винограда на заводах первичной переработки сырья [1, с. 198-200 (рис. 13.4)]. Варианты 13, 28 – Система автоматизации мойки в бутыломоечной машине [1, с. 201-203 (рис. 13.6)]. Варианты 14, 29 – Система автоматизации отделения очистки сиропа [1, с. 166-167 (рис. 11.7)]. Варианты 15, 30 – Система автоматизации роспускного отделения [1, с. 164-167 (рис. 11.6)]. Методические указания по выполнению работы Каждый студент выполняет свой вариант. По результатам работы формируется отчет, содержащий подробное решение задачи. Работа выполняется на компьютере, с применением программ MS Word. 24 В результате проведенных исследований должен быть составлен аналитический отчет, который должен содержать следующую информацию: 1. Описание и оценку преимуществ и недостатков разработанных альтернативных вариантов концепции создания системы автоматического или автоматизированного управления. 2. Обоснование выбора оптимального варианта концепции и описание предлагаемой системы автоматического или автоматизированного управления. Процесс выбора концепции системы управления отображен в приведенном ниже примере. Пример выполнения задания В сушилке происходит процесс сушки материала с расходом G м и начальной влажностью М вх за счет подачи в нее горячего воздуха с расходом G в Материал G м , М вх Материал G м , М вых G в Горячий воздух Рис. 2. Схема сушильного аппарата Задача регулирования состоит в обеспечении требуемой влажности М вых материала на выходе из сушилки за счет изменения расхода G в горячего воздуха. Представим описание сушилки как объекта автоматического управления (материалы практической работы №1): 1. Регулируемой переменной является влажность М вых материала на выходе из сушилки. 2. Управляющей переменной является расхода G в горячего воздуха. 3. Возмущающими переменными являются расход G м и начальная влажность М вх материала. Возможны следующие варианты построения системы управления влажностью материала: 1. Принцип управления с обратной связью (рис. 3). Если влажность материала на выходе из сушилки измеряется, тогда сравнивая требуемое значение влажности с текущей, регулятор влажности управляет степенью открытия/закрытия клапана подачи горячего воздуха в сушилку. 25 Материал G м , М вх Материал G м , М вых G в Горячий воздух МЕ МС М зад вых Рис. 3. Схема САУ на основе принципа управления по отклонению Использование регулятора гарантирует поддержание влажности в установившемся режиме, однако качество переходных процессов может оказаться неудовлетворительным при большой инерционности канала регулирования и сильных возмущений. 2. Принцип управления по возмущению (рис. 4). Предположим, что возмущающие переменные измеряются (G м , М вх ), тогда можно заранее скорректировать величину расхода горячего воздуха, подаваемого в сушилку, чтобы скомпенсировать влияние возмущений на заданную влажность материала на выходе из сушилки. МY М зад вых Материал G м , М вх Материал G м , М вых G в , Т в Горячий воздух F Е МЕ T Е Рис. 4. Схема САУ на основе принципа управления по возмущению В такой системе автоматизации переходной процесс по влажности будет протекать быстрее, чем в системе, построенной по принципу обратной связи. Однако нужно отметить, что для использования этого принципа управления необходимо точно знать соотношения между возмущениями и регулируемой переменной для точного расчета сигнала степени открытия регулирующего органа подачи горячего воздуха. Не учет возмущений, например, такого как температура горячего воздуха, может существенно ухудшить качество регулирования и не обеспечить точность поддержания заданной влажности. 26 3. Принцип комбинированного управления (рис. 5). Этот принцип сочетает в себе преимущества рассмотренных ранее способов управления: - быстрая реакция системы на изменения возмущающих воздействий; - точное поддержание заданной влажности в независимости от вида возмущения за счет применения обратной связи по выходной влажности материала; - лучшее качество переходных процессов. МY М зад вых Материал G м , М вх Материал G м , М вых G в , Т в Горячий воздух F Е МЕ T Е МЕ МС + Рис. 5. Схема САУ на основе принципа комбинированного управления Контрольные вопросы и задания 11. Что такое «концепция» системы управления? 12. Какие рекомендации по разработке концепции системы автоматизации? 13. Что представляет собой принцип управления по возмущению? 14. Что представляет собой принцип управления по отклонению? 15. Что представляет собой принцип комбинированного управления? Рекомендуемая литература 1. Автоматика и автоматизация пищевых производств [Текст] : учеб. пособие для вузов / М. М. Благовещенская и др. - Москва : Агропромиздат, 1991. - 239 с. 2. Ким Д. П. Теория автоматического управления. Т. 1. Линейные системы. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 288 с. |