Учебнометодический комплекс дисциплины преподавателя по дисциплине Средства электроавтоматики (код и наименование дисциплины) для студентов специальности
 Скачать 1.67 Mb.
|
|
Тема 2 Основные понятия, цели и принципы управления План лекции 1. Основные понятия и определения 2. Функциональная структура систем автоматики. Основные принципы управления и регулирования 3. Классификация элементов и средств электроавтоматики и задачи, решаемые ими 4. Типизация, унификация и агрегатирование средств электроавтоматики 1. Принципиальными особенностями систем автоматики являются наличие цели их функционирования и способность изменять свое состояние под влиянием различных воздействий. Под воздействием понимают такое влияние окружающей среды или одной части системы на другую, при котором происходят изменения в части, испытывающей это влияние. Внешние воздействия, которые существенно влияют на состояние системы, называют входными, а составные части системы, к которым приложены эти воздействия, называют входами системы. Системы автоматики классифицируют по ряду признаков, характеризующих различные их особенности: 1) по типу контура управления – разомкнутые и замкнутые; 2) по принципу управления – по отклонению, по возмущению, комбинированные и адаптивные; 3) по характеру изменения задания – стабилизирующие, программные, следящие; 4) по характеру сигнала – непрерывные и дискретные (импульсные, релейные, цифровые); 5) по характеру реакции на возмущение – статические и астатические; 6) по виду вспомогательной энергии – электрические, пневматические, гидравлические и комбинированные. 2. Рассмотрим основные принципы построения систем автоматики, используя их функциональные и принципиальные схемы. На функциональных блок-схемах составные части (блоки) системы представляются прямоугольниками кружками, а их взаимодействие – линиями со стрелками. Блоки обозначаются буквами (словами) согласно выполняемым ими функциям, которые, как правило, соответствуют рассмотренным ранее элементам. Простейшими системами управления являются разомкнутые САУ. Они обеспечивают заданный закон изменения состояния объекта управления (включение, выключение, изменение режима работы и др.) без контроля результатов управления. Закон изменения состояния объекта управления во времени называется программой управления, которая размещается в задатчике (задающем элементе). Задатчик (рис.1) в свою очередь формирует значение х З управляемой величины х объекта и, таким образом, закон ее изменения во времени. При этом под управляемой величиной понимают параметр, характеризующий технологический процесс, например, угловую скорость и развиваемый момент электропривода технологической машины. Рисунок 1 – Общая функциональная схема разомкнутой системы автоматического управления Управляющий блок воспринимает сигнал задатчика, преобразует его и выдает командный сигнал на вход исполнительного устройства, которое вырабатывает управляющее воздействие, прикладываемое ко входу объекта. Последнее изменяет количество энергии или вещества, подводимого к объекту, обеспечивая этим изменение его состояния в соответствии с заданием. Воздействия z, изменяющиеся при работе системы и нарушающие требуемую функциональную связь между х 3 и х, называются возмущающими, или возмущениями. Они делятся на основные и второстепенные (помехи). Основные возмущающие воздействия значительно влияют на управляемый процесс. Они, как правило, приложены к объекту. К ним относятся нагрузка объекта управления, влияние температуры, влажности и т.п. Помехи – это многочисленные воздействия, слабо влияющие на ход процесса. К ним можно отнести колебания напряжения в сети переменного тока, изменения сопротивлений цепей, воздушные зазоры и упругие деформации в деталях и т.п. Помехи могут воздействовать на часть или на все элементы системы. Недостаток разомкнутых САУ – малая точность выполнения заданного закона управления, поскольку возмущающие воздействия не компенсируются. Поэтому такие системы в основном применяют для автоматизации процессов пуска и останова машин и механизмов, когда не требуется точное выполнение заданного закона изменения скорости (насосы, вентиляторы, конвейеры, компрессоры и др.), а также для обеспечения требуемой последовательности рабочих операций. Замкнутые САУ строятся на основе принципа обратной связи, сущность которого заключается в том, что управляющее воздействие ставится в зависимость от того результата, который оно вызывает. Под обратной связью понимают устройство, осуществляющее передачу воздействия с выхода системы или ее элемента на их входы. Такие связи (их может быть несколько в одной системе) реализуются на основе измерительных устройств. Обратные связи могут быть жесткими и гибкими, положительными и отрицательными. Жесткая обратная связь действует постоянно, т. е. в переходных и установившихся режимах работы системы, а гибкая — только в переходных режимах. Сигнал положительной обратной связи суммируется с входным сигналом системы (элемента), а сигнал отрицательной — вычитается из входного сигнала. Замкнутая САУ, в которой управляющее воздействие вырабатывается в функции отклонения действительного значения управляемой величины от ее заданного значения, называется системой автоматического регулирования ( САР). Управление в таких системах называют регулированием, управляющее устройство – регулятором, а управляемую величину – регулируемой величиной. В САР, представленной на рис.2, а, реализован принцип управления по отклонению. Рисунок 2 – Функциональные схемы замкнутых САУ: а — САР по отклонению; б — комбинированная; в — адаптивная Блок ИБ измеряет регулируемую величину х, преобразует ее в величину х п , подобную выходной величине х 3 задатчика ЗБ и подает на элемент сравнения ЭС, который определяет отклонение регулируемой величины от заданного значения Δх = х 3 – х П Сигнал Δх после преобразования в управляющем блоке УВ передается на исполнительное устройство, котор ое формирует управляющее воздействие u = f ( Δх), прикладываемое к регулирующему органу объекта (задвижке, клапану и др.) и обеспечивает тем самым приближение регулируемой величины к заданному значению. Регулирующий орган может отсутствовать, если весь поток энергии или вещества поступает в объект от исполнительного устройства, например, от генератора к электродвигателю. Для САР характерно наличие отрицательной обратной связи и замкнутой цепи передачи воздействий: УБ — ИУ — О — ИБ — ЭС — УБ. Благодаря этому они способны обеспечить высокую точность управления. САР, имеющие задание поддерживать управляемую величину на постоянном уровне х 3 =const , называются автоматическими стабилизирующими системами. К ним относятся, например, системы автоматической стабилизации температуры подаваемого в шахту воздуха, давления в пневмосети и др. Замкнутые системы, изменяющие управляемую величину в соответствии с заранее заданной функцией какого-либо параметра (времени, пути и т.д.), называются программными автоматическими системами. К таким системам относится, например, САР скорости шахтной подъемной машины. Системы, имеющие задание изменять управляемую величину в соответствии с действующей на входе системы переменной величиной, закон изменения которой заранее неизвестен, называются следящими автоматическими системами. Примером таких систем является САР производительности компрессорной станции, обеспечивающая производство сжатого воздуха для пневмосети в соответствии с его потреблением, имеющим случайный характер изменения во времени. Автоматические системы управления высокой точности обычно строят по принципу комбинированного управления (рис.2, 6). В таких системах воздей- ствие вырабатывается управляющим устройством УУ в функции отклонения и возмущения. Последнее измеряется блоком ИБ 2 и подается на вход системы в виде сигнала, который суммируется с заданием х 3 , компенсируя тем самым вредное влияние возмущения на управляемую величину х. Успешное развитие кибернетики позволило применить в автоматических системах новый принцип управления, называемый принципом адаптации ( самонастраивающиеся системы). Системы, использующие этот принцип способны обеспечить высокое качество управления объектами с переменными свойствами и условиями функционирования, например, буровыми установками, у которых в процессе работы затупляются режущие элементы рабочих органов, изменяются физико-механические свойства горного массива, масса подвижных частей и др. Адаптивная (самонастраивающаяся) САУ (рис.2, в) содержит дополни- тельное управляющее устройство УУ Д , которое вырабатывает корректирующее воздействие и Д , используя информацию об изменении управляемой величины, задающего и возмущающего воздействия. Сигнал ил вызывает необходимые изменения структуры и параметров основного управляющего устройства УУ 0 , т. е. осуществляет самонастройку системы в процессе ее функционирования. В зависимости от характера реакции на возмущения САУ делятся на статические и астатические. К статическим САУ относятся системы, у которых установившееся значение управляемой величины зависит от величины возмущающего воздействия так, что отклонение от задания пропорционально величине последнего. В такой системе всегда имеется, так называемая, статическая погрешность. В астатических системах установившееся значение управляемой величины не зависит от величины возмущающего воздействия и статическая погрешность равна нулю. 3. Любой процесс управления можно разделить на четыре составляющих: 1) получение информации о цели управления или задание величины параметров состояния объекта; 2) получение информации о состоянии объекта; 3) переработка полученной информации и принятие решения, т.е. формирование сигнала управления; 4) исполнения решения – реализация управляющего воздействия, соответствующего выработанному сигналу управления. Соответственно для реализации автоматического управления необходимо иметь элементы – задающие, измерительные, управляющие (регулирующие)и исполнительные. Под элементом системы управления понимают составную, относительно самостоятельную ее часть, предназначенную для выполнения какой-либо определенной функции. Задающим элементом ( задатчиком), называется элемент, вырабатывающий сигналы, соответствующие цели управления. В качестве задающего устройства могут использоваться простейшие реостатные задатчики, контактные командоаппараты, бесконтактные программные устройства и др. Измерительный элемент (измерительный преобразователь) служит для контроля состояния объекта, его выходных параметров, а также параметров внешней среды и передачи этой информации управляющему элементу системы. Управляющий (регулирующий) элемент в простейшем случае вырабатывает сигнал управления (регулирования), пропорциональный отклонению управляемой (регулируемой) величины от заданного значения. Обычно управляющий элемент (регулятор) имеет весьма сложное строение и может рассматриваться как система, состоящая из других элементов (усилителей, фильтров, суммирующих устройств и др.). Исполнительные элементы служат для непосредственного изменения состояния объекта управления. К исполнительным элементам относятся исполнительные механизмы и регулирующие органы, которые конструктивно могут быть объединены в едином изделии или собираются из индивидуально выпускаемых блоков. В некоторых случаях исполнительный элемент может состоять из одного блока, выполняющего функции исполнительного механизма. Под исполнительным механизмом в общем случае подразумевают блок, преобразующий входной управляющий сигнал от регулирующего устройства в сигнал, который через соответствующую связь осуществляет воздействие на регулирующий орган или непосредственно на объект регулирования. Как правило, это весьма мощные устройства, например электродвигатели, гидравлические и пневматические исполнительные механизмы. Регулирующим органом называют блок исполнительного элемента, с помощью которого оказывается регулирующее воздействие на объект регулирования. Регулирующие органыпо конструкции представляют собой устройства, монтируемые непосредственно в технологические объекты. Так, для трубопроводов используют различные клапаны, заслонки, шиберы и т.п. Управление регулирующими органами осуществляется исполнительными механизмами, выполняющими функции их приводов. 4. Типизация – это обоснованное сведение многообразия избранных типов конструкций машин, оборудования, приборов и устройств автоматизации к небольшому числу наилучших с какой-либо точки зрения образцов, обладающих существенными качественными признаками. Например, типизация технологических процессов заключается в выборе для внедрения из всей массы действующих технологий только наиболее производительных и рентабельных. В процессе типизации разрабатываются и устанавливаются типовые конструкции, содержащие общие для ряда изделий (или их составных частей) базовые элементы и конструктивные параметры, в том числе перспективные, учитывающие последние достижения науки и техники. Процесс типизации эквивалентен группированию, классификации некоторого исходного, заданного множества элементов в ограниченный ряд типов с учетом реально действующих ограничений, целей типизации; другими словами, типизация является оптимизационной задачей с ограничениями. Типизация предшествует унификации – приведению различных видов продукции и средств ее производства к рациональному минимуму типоразмеров, марок, форм, свойств и т.п. Унификация вносит единообразие в основные параметры типовых решений технических средств, необходимое для их совместного использования в АСУ ТП, и устраняет неоправданное многообразие средств одинакового назначения и разнотипность их частей. Одинаковые или разные по своему функциональному назначению устройства, их блоки, модули, но являющиеся производными от одной базовой конструкции, образуют унифицированный ряд. Унификация позволяет за счет применения общих и типовых кон- структивных решений использовать принцип агрегатирования, создавать на одной основе различные модификации изделий, выпускать технические средства одинакового назначения, но с различными техническими характеристиками, удовлетворяющими потребностям того или иного производства, технологии. Такие изделия одного типа, но с различными техническими параметрами образуют параметрический ряд. Агрегатирование предусматривает разработку и использование ограниченной номенклатуры типовых унифицированных модулей, блоков, устройств и унифицированных типовых конструкций (УТК) для построения множества проблемно-ориентированных установок и комплексов, технические параметры которых в значительной степени удовлетворяют потребительским целям. Типизация, унификация и агрегатирование являются основополагающими принципами построения агрегатных комплексов для комплексной автоматизации производства и, в частности, при проектировании и внедрении АСУ технологическими объектами и агрегатами. Существенное сокращение числа различных функциональных устройств достигается обеспечением их совместимости в АСУ ТП. Концепция совместимости, включающая в себя требования информационного, энергетического, конструктивного, метрологического и эксплуатационного сопряжений между различными изделиями, основана на последовательной унификации и стандартизации свойств и характеристик изделий. Применительно к информационным связям термин «унификация» означает введение ограничений, налагаемых на сигналы, несущие сведения о контролируемой величине или команде. Унифицируются виды носителей нормированной информации (электрические – сигналы, коды и согласование входов и выходов; вещественные – с механическим носителем на бланках для записи и печати, с магнитными носителями). Определяется также способ представления информации в устройствах автоматизации – аналоговый и дискретный. Конструктивная совместимость изделий предусматривает прежде всего унификацию присоединительных размеров отдельных узлов, деталей, модулей, введение типовых конструкций, создание единой элементной базы, разработку общих принципов конструирования приборов. При конструировании устройств автоматизации рекомендуется блочно-модульный принцип построения изделий. Применение этого принципа делает приборы более универсальными, позволяет использовать при их создании рациональный минимум конструктивных элементов (сокращается количество наименований деталей). Вместе с тем возможность простой и легкой замены отдельных узлов позволяет модернизировать эти приборы в процессе эксплуатации, повышает их ремонтопригодность и расширяет круг ре- шаемых ими задач (путем различных сочетаний функциональных звеньев и введением специализированных деталей). Блочно-модульное построение приборов позволяет широко применять при их изготовлении современную технологию и максимально использовать кооперацию и специализацию предприятий. Стандартизируются также общие технические требования к устройствам автоматизации и условиям их работы в АСУ ТП. Ввиду многообразия производств и технологических процессов важное место отводится разделению приборов и устройств по группам условий эксплуатации. По защищенности от воздействия окружающей среды устройства автоматизации подразделяются на следующие исполнения: обыкновенное, пылезащищенное, взрывозащищенное, герметическое, водозащищенное, защищенное от агрессивной среды. В зависимости от предполагаемых механических воздействий также предусматриваются обыкновенное и виброустойчивое исполнение. Нормируются метрологические характеристики изделий (виды погрешностей, методы нормирования погрешностей отдельных устройств, погрешностей совокупности звеньев и систем, классы точности и методы аттестации). Этим достигается метрологическая совместимость различных технических средств АСУ ТП. Рекомендуемая литература 1. Шишмарев В.Ю. Автоматика: Учеб.пособие. – М.: Изд. центр «Академия», 2005. С.6-40. 2. Эм Г.А. Элементы систем автоматики: Учеб. пособие. – Караганда, КарГТУ, 2007. С.4-11. 3. Гаврилов П.Д., Гимельшейн Л.Я., Медведев А.Е. Автоматизация производственных процессов: Учебник для ВУЗов. – М.: Недра, 1985. С.5-8. Контрольные задания для СРС [1-3] 1. Основные принципы управления и регулирования |