АПП. Учебнометодический комплекс дисциплины преподавателя по дисциплине Автоматизация производственных процессов код и наименование дисциплины для студентов специальности
 Скачать 1.29 Mb.
|
|
Министерство образования и науки Республики Казахстан Карагандинский государственный технический университет Утверждаю Первый проректор ____________ А. Исагулов "____" _________ 2008 г. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ ПРЕПОДАВАТЕЛЯ по дисциплине Автоматизация производственных процессов код и наименование дисциплины) для студентов специальности ______________________ 050724 – Технологические машины и оборудование шифр и наименование специальности) Факультет Энергетики, связи и автоматизации Кафедра Автоматизации производственных процессов 2008 Предисловие Учебно-методический комплекс дисциплины преподавателя разработан к.т.н.,с.н.с. доцентом Шатохиным В.Н. ученая степень, ученое звание ФИ. О) Обсужден на заседании кафедры Автоматизации производственных процессов наименование кафедры) Протокол № _______ от «____»______________2008 г. Завкафедрой Брейдо ИВ. «____»____________2008 г. подпись) Одобрен методическим бюро факультета Энергетики, связи и автоматизации наименование факультета) Протокол № ________ от «_____»_____________2008 г. Председатель ____________ Умбеталин Т.С. «____»____________ 2008 г. (подпись) Согласован с кафедрой Горных машин и оборудования Завкафедрой Куанышбаев Ж.М. «____»___________2008 г. 1 Рабочая учебная программа 1.1 Сведения о преподавателе и контактная информация Шатохин Василий Никитович,к.т.н.,с.н.с.,доцент . фамилия, имя, отчество преподавателя, ученая степень, ученое звание, должность) Кафедра Автоматизации производственных процессов находится в главном корпусе КарГТУ (адрес, аудитория 131, контактный телефон 56-51-84 кафедра АПП), e-mail: egaapp@kstu.kz. 1.2 Трудоемкость дисциплины Вид занятий количество контактных часов Семестр Количество кредитов лекции практические занятия лабораторные занятия количество часов СРСП всего часов Количе- ство часов СРС Общее количество часов Форма контроля экзамен 1.3 Характеристика дисциплины Дисциплина Автоматизация производственных процессов является одной из базовых для студентов специальности 050724 – Технологические машины и оборудование ив соответствии с учебным планом специальности входит в компонент по выбору. 1.4 Цель дисциплины Целью изучения данной дисциплины является формирование у студентов профессиональной компетентности в области автоматизации производственных процессов на основе знания современных методов и средств автоматизации, умения понимать и ставить задачи автоматизации того или иного процесса в соответствии с современными требованиями развития техники. 1.5 Задачи дисциплины Задачи дисциплины следующие изучение основных положений и принципов автоматизации производственных процессов, устройства и принципа действия технических средств автоматики, применяющихся в автоматизированных системах контроля и управления различных промышленных установок и технологических комплексов ознакомление с основными направлениями и путями совершенствования технических средств автоматизации приобретение практических навыков логического анализа типовых схем автоматизированного управления технологическими процессами и их технической диагностики. В результате изучения данной дисциплины студенты должны иметь представление о современных методах и средствах автоматизированного управления технологическими процессами об общих тенденциях и принципах развития автоматизации производственных процессов знать основы автоматизации производственных процессов, устройство и принцип работы используемых в промышленности и разрабатываемых технических средств автоматизации методы анализа и синтеза автоматизированных систем управления уметь ориентироваться в схемах автоматизации различных технологических процессов, подбирать необходимые и соответствующие современным требованиям технические средства автоматизации, используя справочники и каталоги приобрести практические навыки логического анализа типовых схем автоматизированного управления технологическими процессами и их технической диагностики. 1.6 Пререквизиты Для изучения данной дисциплины необходимо усвоение следующих дисциплин (с указанием разделов (тем Дисциплина Наименование разделов (тем) 1 Физика Механика. Кинематика. Колебания и волны. Электричество и магнетизм. Электростатика. Постоянный электрический ток. Магнитное поле. Явление электромагнитной индукции. Электромагнитные колебания Математика Элементы линейной алгебры. Введение в математический анализ. Дифференциальное исчисление функции одной переменной. Интегральное исчисление функции одной переменной. Исследование функций. Дифференциальное исчисление функции многих переменных. Дифференциальные уравнения. Элементы теории вероятностей и математической статистики Электротехника Линейные электрические цепи постоянного тока. Электрические цепи однофазного синусоидального тока. Магнитные цепи. Электростатическое поле. 1.7 Постреквизиты Знания, полученные при изучении дисциплины Автоматизация производственных процессов, используются при выполнении дипломного проекта, дальнейшем повышении квалификации и практической работе в сфере производственной деятельности. 1.8 Содержание дисциплины 1.8.1 Содержание дисциплины по видам занятий и их трудоемкость Трудоемкость по видам занятий, час. Наименование раздела (темы) лекции практические лабораторные СРСП СРС 1 Вводная лекция. Предмет, цель и задачи курса. 2 – – 2 2 2 Основные понятия и определения автоматики. Автоматические системы. Системы автоматического контроля (САК) 2 – – 2 2 3 Классификация систем автоматического управления (САУ) 2 – – 2 2 4 Статические и динамические характеристики элементов автоматических систем часть 1) 2 – – 2 2 5 Статические и динамические характеристики элементов автоматических систем часть 2) 2 – – 2 2 6 Системы автоматического регулирования (САР) 2 – – 2 2 7 Основные понятия и определения телемеханики ТСА. Датчики 2 – – 2 2 9 ТСА. Усилители 2 – – 2 2 10 ТСА. Логические элементы. Исполнительные устройства 2 – – 2 2 11 Микропроцессоры и программируемые контроллеры 2 – – 2 2 12 Автоматизация производственных процессов в очистном забое. Принципы регулирования нагрузки ГМ 2 – – 2 2 13 Системы автоматического управления механизированными крепями очистных комплексов 2 – – 2 2 Трудоемкость по видам занятий, час. Наименование раздела (темы) лекции практические лабораторные СРСП СРС 14 Автоматизация проходческих работ 2 – - 2 2 15 Автоматизация оперативного диспетчерского управления 2 - - 2 2 16 Лабораторная работа (занятие) №1 Изучение правил выполнения и чтения электрических схем – 2 3 3 17 Лабораторная работа (занятие) №2 Реле. Анализ работы типовых релейных схем – – 2 3 3 18 Лабораторная работа №3 Исследование аппаратуры АГЗ и централизованного контроля метана – – 4 3 3 19 Лабораторная работа №4 Исследование аппаратуры автоматизации водоотливных установок – - 4 3 3 20 Лабораторная работа №5 Изучение методов и средств автоматизации конвейерного транспорта – - 3 3 3 ИТОГО 30 - 15 45 45 1.9 Список основной литературы 1 Гаврилов П.Д., Гимельшейн ЛЯ, Медведев А.Е. Автоматизация производственных процессов Учебник для ВУЗов. – М Недра, 1985. – с. 2 Толпежников ЛИ. Автоматическое управление процессами шахт и рудников Учебник для ВУЗов. – М Недра. – с. 3 Батицкий В.А.и др. Автоматизация производственных процессов и АСУ ТП в горной промышленности. М Недра, с. 4 Фешин Б.Н. Автоматизация промышленных установок и технологических комплексов Учеб.пособие.-Караганда,КарГТУ,2000.-100с. 5 Ланге МВ. Автоматика и автоматизация производственных процессов Учеб. пособие. – Караганда, КарПТИ, 1983. – с. 1.10 Список дополнительной литературы 6 Техника чтения схем автоматического управления и технологического контроля / АС. Клюев, Б.В. Глазов, М.Б. Миндин, С.А. Клюев]; Под ред. АС. Клюева. – М Энергоатомиздат, 1990. – 432 с 7 Поспелов Л.П. Рудничная автоматика и телемеханика. М Недра,1983.- 341с. 8 Родионов В.Д., Терехов В.А., Яковлев В.Б. Технические средства АСУ ТП: Учеб.пособие для вузов / Под ред. В.Б.Яковлева. – М Высш.шк., 1989. – 263 с 9 Проектирование систем автоматизации технологических процессов Справочное пособие / АС. Клюев, Б.В. Глазов, АХ. Дубровский, А.А. Клюев]; Под ред. АС. Клюева. – М Энергоатомиздат, 1990. – 464 с 10 Демченко Н.П. Технические средства передачи информации в системах управления угольных шахт.-М.:Недра,1990.-206 с. 11 Системы и устройства автоматики для горных предприятий на основе микроэлектроники и микропроцессорной техники Под ред. Ю.Н.Ка- мынина и Л.Г.Мелькумова.-М.: Недра, с. 12 Прангишвили ИВ. Микропроцессоры и локальные сети микроЭВМ в распределенных системах управления.-М.: Энергоатомиздат,1985.-272с. 13 Карпов Е.Ф., Биренберг И.Э., Басовский Б.И. Автоматическая газовая защита и контроль рудничной атмосферы. М Недра, с. 14 Попов В.М. Водоотливные установки Справ.пособие.- М Недра, 1990- с. 1.11 Критерии оценки знаний студентов Экзаменационная оценка по дисциплине определяется как сумма максимальных показателей успеваемости порубежным контролям (дои итоговой аттестации (экзамену) (дои составляет значение до 100% в соответствии с таблицей. Оценка по буквенной системе Баллы %-ное содержание Оценка по традиционной системе А 4,0 95-100 А- 3,67 90-94 Отлично В+ 3,33 85-89 В 3,0 80-84 В- 2,67 75-89 Хорошо С+ 2,33 70-74 С 2,0 65-69 С- 1,67 60-64 D+ 1,33 55-59 D 1,0 50-54 Удовлетворительно F 0 30-49 Z 0 0-29 Неудовлетворительно Рубежный контроль проводится на й, й и й неделях обучения и складывается исходя из следующих видов контроля Академический период обучения, неделя Вид контроля- ое содержание Итого, % Посещаемость 7,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 7,5 Лаб. работы 15 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 15 Модули - - - 5 - - - - 5 - - - - 5 15 СРСП 15 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 15 СРС 7,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 7,5 Экзамен 40 - - - - - - - - - - - - - - - 40 Всего 100 3 3 3 3 8 3 3 3 3 8 3 3 3 3 8 100 1.12 Политика и процедуры При изучении дисциплины Автоматизация производственных процессов следует соблюдать следующие правила 1. Не опаздывать на занятия. 2. Не пропускать занятия без уважительной причины. 3. Вовремя лекционных, лабораторных и других занятий выполнять Правила внутреннего распорядка, касающиеся поведения студентов в учебных аудиториях. 4. Входе внеаудиторной подготовки внимательно и вдумчиво изучать прослушанный накануне лекционный материал, систематически использовать рекомендуемую литературу и другие источники. 5. При подготовке к лабораторным занятиям предварительно ознакомиться с описанием лабораторной работы и используемого оборудования, изучить соответствующий тематике работы раздел теоретической части дисциплины, подготовить соответствующие бланки и заготовки таблиц и графиков. 6. При подготовке к СРСП предварительно изучить соответствующий раздел теоретической части дисциплины и ответить на поставленные преподавателем контрольные вопросы. 7. Активно участвовать в учебном процессе. 1.13 Учебно-методическая обеспеченность дисциплины Количество экземпляров Ф.И.О. автора Наименование учебно- методической литературы Издательство, год издания в библиотеке на кафедре Основная литература Гаврилов П.Д., Гимельшейн ЛЯ, Медведев А.Е. Автоматизация производственных процессов Учебник для ВУЗов – М Недра, 1985. 54 2 1 2 3 4 5 Толпежников Л.И. Автоматическое управление процессами шахт и рудников Учебник для ВУЗов – М Недра Батицкий В.А. и др Автоматизация производственных процессов и АСУ ТП в горной промышленности – М Недра Фешин Б.Н. Автоматизация промышленных установок и технологических комплексов Учеб. пособие Караганда, КарГТУ, 2000. 41 5 Ланге М.В. Автоматика и автоматизация производственных процессов Учебное пособие – Караганда, КарПТИ, 1983. 40 10 Дополнительная литература Клюев АС, Глазов Б.В., Миндин М.Б. и др. Техника чтения схем автоматического управления и технологического контроля / Под ред. АС. Клюева – М Энер- гоатомиздат, 1991. 5 2 П оспелов Л.П. Рудничная автоматика и телемеханика- М Недра Родионов В.Д., Терехов В.А., Яковлев В.Б. Технические средства АСУ ТП: Учеб. пособие для вузов М Высшая школа, 1989. 8 3 Клюев АС, Глазов Б.В., Дубровский АХ. и др. Проектирование систем автоматизации технологических процессов Справочное пособие / Под ред. АС. Клюева – М Энер- гоатомиздат, 1990. 7 2 Демченко Н.П. Технические средства передачи информации в системах управления угольных шахт – М Недра, 1990. 2 2 Камынин Ю.Н., Мелькумов Л.Г. Системы и устройства автоматики для горных предприятий на основе микроэлектроники и микропроцессорной техники – М Недра, 1992. 1 - Прангишвили ИВ. Микропроцессоры и локальные сети микроЭВМ в распределенных системах управления – М Недра, 1985. 3 1 Карпов Е.Ф., Биренберг И.Э., Басов- ский Б.И. Автоматическая газовая защита и контроль рудничной атмосферы – М Недра, 1984. 2 - Попов В.М. Водоотливные установки Справ. пособие – М Недра, 1990. 250 2 2 График выполнения и сдачи заданий по дисциплине Вид контроля Цель и содержание задания Рекомендуемая литература Продолжительность выполнения Форма контроля Срок Сдачи Лабораторная работа занятие Изучение правил выполнения и чтения электрических схем, обозначений условных графических в схемах. Освоение техники чтения функциональных и принципиальных схем автоматизации, стр 6, стр, 26- 50, 73-81,105- 124; стр 2 час. Отчет по работе, устный опрос 3 неделя Лабораторная работа занятие Изучение устройства, принципа действия, статических характеристик реле. Анализ работы типовых релейных схем (самоблокировка, взаимная блокировка, ис- кробезопасное включение реле, стр 3, стр 6, стр 7, стр 2 час. Отчет по работе, устный опрос 4 неделя Модуль №1 Контроль знаний по дисциплине и усвоения изученного материала. Ответы на контрольные вопросы по темам 1-4. [1, стр, 37- 40; стр 6, стр, 26- 50, 73-81,105- 124; стр, 35- 48] 0,5 час. Письменный и устный опрос 5 неделя Лабораторная работа №3 Изучение принципа действия, основных характеристик датчиков метана и структуры технических средств комплекса Метан, выполняющего функции АГК и АГЗ. [1, стр. 178-181; 13, стр) 3 час. Отчет по работе, устный опрос 8 неделя Модуль №2 Контроль знаний по дисциплине и усвоения изученного материала. Ответы на контрольные вопросы по темам 5-9. [1, стр, 178-181; 3, стр, 22-37; 13, стр час. Письменный и устный опрос 10 неделя Лабораторная работа №4 Изучение методов и средств автоматизации водоотливных установок, устройства и принципа действия аппаратуры автоматизации. Анализ типовых схем автоматизации водоотливных установок Приобретение практических [1, стр 2, стр 3, стр стр час. Отчет по работе, устный опрос 12 неделя Вид контроля Цель и содержание задания Рекомендуемая литература Продолжительность выполнения Форма контроля Срок Сдачи навыков работы со стендовым оборудованием. Лабора- торная работа №5 Изучение методов и средств управления конвейерными линиями исследование функциональных свойств и возможностей технических средств автоматизации конвейерного транспорта, стр 2, стр стр час. Отчет по работе, устный опрос 14 неделя Модуль №3 Контроль знаний по дисциплине и усвоения изученного материала. Ответы на контрольные вопросы по темам 10-14. [1, стр. 40-111, 152-162; 2, стр, 288-306; 3, стр, 146-162; 14, стр час. Письменный и устный опрос 15 неделя СРСП Контроль усвоения самостоятельно изученного материала. В соответствии с тематикой реферата час. Реферат, доклад Согласно графика СРСП Примечание – номер рекомендуемой литературы, указанный в квадратных скобках, проставляется согласно нумерации списка основной и дополнительной литературы, предлагаемой в рабочей учебной программе (см. п. 3 Конспект лекций Тема 1 Вводная лекция. Предмет, цель и задачи курса. План лекции 1. Предмет курса. Цель и задачи 2. Основные направления и этапы развития автоматизации Современное промышленное производство характеризуется ростом масштабов и усложнением технологических процессов, увеличением единичной мощности отдельных агрегатов и установок, применением интенсивных, высокоскоростных режимов, повышением требований к качеству продукции, безопасности персонала, сохранности оборудования и окружающей среды. Экономичное, надежное и безопасное функционирование сложных промышленных объектов может быть обеспечено только с помощью совершенных принципов и технических средств автоматизации. Автоматизация производства – этап машинного производства, характеризуемый освобождением человека от непосредственного выполнения функций управления производственными процессами и передачей этих функций автоматическим устройствам. При этом процессы получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов и информации выполняются автоматически. Автоматизация является одним из главных направлений научно-технического прогресса и важным средством повышения эффективности производства. Автоматика – отрасль науки и техники, охватывающая теорию и принципы построения систем управления техническими процессами, действующих без непосредственного участия человека. (те. автоматических систем управления) Любой производственный процесс может быть охарактеризован некоторой совокупностью предписаний, обеспечивающих правильное его выполнение, называемых алгоритмом функционирования. Если техническая система при наличии возмущающих воздействий, поступающих от внешней среды, может самостоятельно выполнять требуемый алгоритм функционирования, то никакого управления системой не требуется. В противном случае необходимо оказывать на эту систему специально организованные воздействия которые приводили бык выполнению алгоритма функционирования Совокупность предписаний, определяющих характер этих воздействий, называется алгоритмом управления В автоматических системах воздействия вырабатываются управляющим устройством, которое совместно с управляемым объектом и составляет автоматическую систему. Содержанием автоматики как науки, таким образом, является исследование условий функционирования и алгоритмов управления для различных технических процессов и изучение общих закономерностей в них, разработка методов синтеза и анализа автоматических систем, те. методов выбора наиболее рациональных структур автоматических систем, обеспечивающих выполнение заданных алгоритмов функционирования (синтез) и методов определения по заданной структуре алгоритма функционирования данной автоматической системы (анализ разработка принципов построения автоматических управляющих устройств. Горное предприятие – промышленное предприятие, имеющее своим назначением разведку или разработку месторождений полезных ископаемых. Современноегорное предприятие сложнейший комплекс различных производственных процессов, функционирование которых основано на использовании высокопроизводительных автоматизированных машин. Автоматизированным управлением в той или иной мере в настоящее время схвачены все основные и вспомогательные процессы добыча, проведение подготовительных выработок, транспортирование полезного ископаемого и различных материалов, проветривание, водоотлив и т.д. Автоматизация производства позволяет заменить функции человека по управлению, регулированию и контролю технологического процесса специальными устройствами, которые работают более надежно, исключают ошибки персонала, а главное, при сокращении числа людей, занятых в процессе производства, обеспечивают рост производительности машин. Дальнейшее совершенствование технологических процессов и внедрение новых, более эффективных машин становится невозможным без использования систем автоматического управления и современных средств вычислительной (в том числе микропроцессорной) техники. Поэтому эксплуатация и обслуживание систем автоматизации перестали быть только функцией специалистов по автоматическому управлению. Эффективное использование автоматизированных машин и комплексов требует различных форм участия в их эксплуатации всего инженерно–технического персонала горных предприятий. Современный специалист должен обладать достаточно широкими знаниями в области АПП и быть готовым не только грамотно управлять автоматизированным производствам, но и участвовать в создании новой техники и технологии, основанных на применении новейших достижений науки и техники в области автоматизации производства. Целью изучения дисциплины является формирование у горных инженеров профессиональной компетентности в области автоматизации, умение ставить задачи автоматизации того или иного процесса в соответствии с новыми требованиями в области развития новой техники. В результате изучения курса специалист должен иметь полное представление о современных методах и средствах автоматизированного управления технологическими процессами, задачах и путях совершенствования этих методов и средств управления, знать принципиальные основы устройства средств управления и их типы, уметь формулировать цели и задачи управления данным объектом, выбирать соответствующую типовую аппаратуру, ставить задачу разработки новой аппаратуры управления конкретным объектом Начальным этапом развития средств автоматизации является создание простейших автоматов. На рубеже XVIII-XIX в.в., в эпоху промышленного переворота в Европе, начинается новый этап развития автоматики, связанный с ее внедрением в промышленность. К первым промышленным автоматическим устройствам относятся регулятор уровня воды парового котла И.И.Ползунова (1765 г, регулятор скорости паровой машины Дж.Уатта (1784 г, система программного управления от перфоленты ткацким станком Жаккара (1804-1808 г.г.) и т.д. В этот период начинает развиваться и теория автоматических систем. Формируется ряд важнейших принципов автоматики принцип регулирования – стабилизации по отклонению Ползунова- Уатта, принцип регулирования по возмущению Понселе-Чиколева. Начало широких работ по автоматизации в угольной промышленности относится кг. К началу х годов был налажен выпуск широкой номенклатуры средств горной автоматики. Для производства различной аппаратуры автоматизации для шахт и рудников по решению Минуглепрома СССР были созданы специальные заводы шахтной автоматики, действующие ив настоящее время ДЗША– Днепропетровский завод шахтной автоматики ПЗША–Прокопьевский завод шахтной автоматики МЗША–Макеевский завод шахтной автоматики Завод Красный металлист г. Конотоп. Для проведения научно–исследовательских и проектных работ по автоматизации организованы специальные институты Гипроуглеавтоматиза- ция (г. Москва, Автоматуглерудпром (г. Конотоп, ВНИИУголь (г. Москва, Донавтоматгормаш (г. Донецк) и ряд других, филиалы института ГУА в г.г.Луганск (Ворошиловград), Кемерово, Караганда и отдельные лаборатории по автоматизации в бассейновых институтах. Анализируя историю и тенденции развития автоматизации производственных процессов, можно выделить три этапа, на которых решались различные по своей сложности задачи. I Частичная автоматизация, предусматривающая автоматизацию какого либо рабочего цикла, машины, установки и т.д. при этом отдельные автоматизируемые машины и установки не имеют связей и блокировок с другими производственными процессами (например аварийное отключение установки, сигнализация и т.д.) II Комплексная автоматизация охватывает комплекс производства когда все стадии, от выемки угля и до погрузки его в ж.д. вагоны автоматизированы. При этом предусматривается автоматизация всех основных и вспомогательных процессов, а также обязательное введение общей системы управления и контроля для технологического процесса производства. Одним из главных признаков комплексной автоматизации является наличие ЦДП (центрального диспетчерского пункта) на котором сосредотачиваются технические средства контроля, управления и связи. III Полная автоматизация является наивысшим этапом, при котором комплексная автоматизация дополняется программными средствами ивы числительными машинами, общей системой телемеханики и автоматизированной системой управления производством (АСУП). Функции человека при полной автоматизации сведутся лишь к наблюдению заходом процессов, анализу их показателей, вводу необходимых заданий с помощью программных средств, к настройке, регулировке систем управления и их совершенствованию. Современными тенденциями в автоматизации производства являются широкое применение ЭВМ (промышленных контроллеров, компьютеров) для управления, создание машин и оборудования со встроенными микропроцессорными средствами измерения, контроля и регулирования, переход на децентрализованные (распределенные) структуры автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) с микроконтроллерами, внедрение человеко-машинных систем, автоматизированное проектирование систем управления и др. Рекомендуемая литература 1 Гаврилов П.Д., Гимельшейн ЛЯ, Медведев А.Е. Автоматизация производственных процессов Учебник для ВУЗов. – М Недра, 1985.C.3-8 2 Батицкий В.А.и др. Автоматизация производственных процессов и АСУ ТП в горной промышленности. М Недра, 1991.C.3-4. Контрольные задания для СРС [1,2] Обзор развития и современное состояние автоматизации производственных процессов. Тема 2. Основные понятия и определения автоматики. Автоматические системы. Системы автоматического контроля САК) План лекции 1. Основные понятия и определения автоматики 2. Схема процесса управления. Виды управления 3. Автоматические системы. Структурная и функциональная схемы Системы автоматического контроля (САК) 1. Для выполнения технической системой требуемого алгоритма функционирования, те. выполнения совокупности предписаний при наличии возмущающих воздействий, поступающих от внешней среды, на эту систему необходимо оказывать специально организованные управляющие воздействия. Управлениепредставляет собой такую организацию того или иного процесса, которая обеспечивает достижение определенных целей. Управление осуществляется с помощью специально организованных воздействий, прикладываемых к объекту управления и изменяющих его количественное и качественное состояние в соответствии с поставленной целью. Автоматика изучает управление техническими объектами, представляющими собой рабочие механизмы, машины и комплексы машин, реализующих различные технологические операции и процессы производства, те. под объектом управления понимается устройство (совокупность устройств, осуществляющее технологический процесс (ОУ на шахтах и рудниках – конвейеры, вентиляторы, подъемные установки, очистные мехкомплексы, насосы и т.д.). Любой процесс управления состоит из четырех элементов (рисунок 1): 1) получение информации о задачах управления (выработка задания 2) получение информации о результатах управления и о состоянии ОУ; 3) анализ полученной информации и выработка решения (выработка управляющих воздействий 4) исполнение решения, те. осуществление управляющих воздействий. По территориальному расположению «ОУ-оператор» управление может быть а) местное б) дистанционное. По виду управления а) ручное б) автоматизированное в) автоматическое. Местное управление осуществляется оператором, находящимся вместе расположения ОУ, при помощи пускателей, контроллеров, выключателей и других устройств (пример. Дистанционное управление осуществляется оператором, находящимся за пределами ОУ. В этом случае оператор на пульте управления формирует команды на включение, отключение или изменение режима работы объекта. По специальным каналам, связывающим пульт управления и объект, передаются сигналы на включение, отключение или изменение режима работы объекта и информация оператору о состоянии объекта управления. При больших расстояниях от пульта управления до ОУ (большем) применяют телемеханические системы передачи информации, включающие кроме линий связи специальные приемно-передающие устройства. В этом случае дистанционное управление может быть названо телемеханическим управлением. Ручное управление осуществляется оператором, при этом все четыре элемента процесса управления (см. рисунок 1) выполняются человеком (пример. Автоматизированное управление является человеко-машинным управлением. При этом человек выполняет обычно главную функцию управления – принятие решения (выработку команды управления. Другие элементы процесса управления выполняются техническими средствами (пример. Автоматическое управление – это управление, осуществляемое без непосредственного участия человека, те. все четыре элемента процесса управления (см. рисунок 1) выполняются техническими средствами аппаратурой автоматики (пример. Совокупность ОУ и устройства, обеспечивающего реализацию части или всех функций процесса управления без непосредственного участия человека, называется автоматической системой (системой автоматики. По функциональному признаку автоматические системы разделяются на две основных вида 1) системы автоматического контроля (САК 2) системы автоматического управления (САУ). САК обеспечивают автоматическое получение информации о состоянии и условиях работы ОУ, а также ее представление в удобном для восприятия оператором виде. САУ обеспечивают автоматическое функционирование объекта в соответствии с требованиями технологического процесса. Графическое представление различных автоматических систем осуществляется с помощью структурных, функциональных и принципиальных схем (рассматриваются в теме лабораторных занятий Виды схем. На функциональных схемах (блок-схемах) составные части системы блоки) представляются геометрическими фигурами (прямоугольниками, кружками, а их взаимодействие – линиями со стрелками. Блоки обозначаются буквами (словами, соответствующими выполняемым ими функциям. Общая функциональная схема САК представлена на рисунке а, где контролируемая величина Х объекта контроля ОК измеряется блоком (элементом) ИБ преобразуется и поступает в управляющий блок УБ, в котором формируется сигнал И, подаваемый на воспроизводящий блок ВБ. Последний формирует результат контроля в форме, удобной для оператора, используя световые, звуковые сигналы, стрелочные, цифровые, самопищущие приборы. (Пример САК – схема контроля уровня жидкости в емкости. ) ОК ИБ УБ ВБ Х И контролируемая величина система изм. упра вление воспр. ОК - объект контроля Х - контролируемая величина ИБ - измерительный блок УБ - управляющий блок ВБ - воспроизводящий блок И - выходной сигнал управляющего блока + - U 1 U 2 В Р Р HL H Контролируемый параметр управляющий блок воспроизводящий блок ЭД Рисунок 2 Рекомендуемая литература 1 Гаврилов П.Д., Гимельшейн ЛЯ, Медведев А.Е. Автоматизация производственных процессов Учебник для ВУЗов. – М Недра, С. 2 Батицкий В.А.и др. Автоматизация производственных процессов и АСУ ТП в горной промышленности. М Недра, 1991.C.5-13. Контрольные задания для СРС [1,2] 1 Схема процесса управления и виды управления. 2. Автоматические системы. Системы автоматического контроля (САК. Тема 3 Классификация систем автоматического управления (САУ) План лекции 1. Разомкнутые и замкнутые САУ. 2. Стабилизирующие, программные, следящие. 3. Непрерывные и дискретные. 4. Статические и астатические. САУ классифицируются по ряду признаков, характеризующих их особенности) по типу контура управления – разомкнутые, замкнутые 2) по принципу управления – по отклонению, комбинированные, адаптивные) по характеру изменения задания – стабилизирующие, программные следящие 4) по характеру сигнала – непрерывные, дискретные 5) по характеру реакции на возмущение – статические, астатические Простейшими САУ являются разомкнутые САУ (рисунок а. Они обеспечивают заданный закон изменения состояния объекта управления включение, выключение, изменение режима работы объекта) без контроля результатов управления (без обратной связи. Закон изменения состояния ОУ во времени называется программой управления. Последняя размещается в специальном блоке-задатчике (ЗБ), который формирует заданное значение Х З управляемой величины Х, те. закон ее изменения во времени. При этом под управляемой величиной Х понимают параметр, характеризующий рабочий процесс объекта, (например, скорость перемещения чего-либо, температуру, момент нагрузки и т.д.). УБ воспринимает сигнал задатчика, преобразует его и выдает командный сигнал на вход исполнительного устройства ИУ, которое вырабатывает управляющее воздействие И, прикладываемое к входу ОУ. Последнее изменяет количество энергии или вещества, подводимого к ОУ, обеспечивая при этом изменение его состояния в соответствии с заданием. Воздействия Z, изменяющиеся при работе системы и нарушающие требуемую функциональную связь между Х з и Х, называются возмущающими или возмущениями. Они делятся на основные и второстепенные (помехи. Основные возмущения сильно влияют на управляемый процесс они, как правило, приложены к ОУ (нагрузка ОУ, влияние температуры, влажности и т.п.). Помехи – это многочисленные воздействия, каждое из которых слабо влияет на ход процесса (колебания напряжения в сети переменного тока, изменение сопротивления целей, воздушные зазоры, упругие деформации и т.п.). В качестве примера разомкнутой САУ на рисунке б представлена принципиальная схема управления угловой скоростью электродвигателя M2. Недостаток разомкнутых АУ – малая точность выполнения заданного закона управления, т.к. возмущающие воздействия не компенсируются. Поэтому такие САУ в основном применяют для автоматизации 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 зависимости оттого результата, который оно вызывает. Под обратной связью понимают устройство, осуществляющее передачу сигнала с выхода системы или ее элемента на вход. Такие связи (их может быть несколько) реализуются на основе измерительных устройств. Обратные связи могут быть жесткими и гибкими, положительными и отрицательными. Жесткая обратная связь действует постоянно, те. в переходных и установившихся режимах работы системы, а гибкая обратная связь – только в переходных режимах. Сигнал положительной обратной связи суммируется с входным сигналом системы (элемента, а сигнал отрицательной обратной связи – вычитается из входного сигнала. Замкнутая САУ (рисунок а, в которой управляющее воздействие (И) 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 управляющую величину регулируемой величиной. В САР рисунок а) реализован принцип управления по отклонению. Блок ИБ измеряет регулируемую величину Х, преобразует ее в величину ХИ, подобную выходной величине Х З задатчика ЗБ и подает на элемент сравнения ЭС, который определяет отклонение регулируемой величины от заданного значения И З Х X X Сигнал X после преобразования в управляющем блоке УБ передается на исполнительное устройство ИУ, которое формирует управляющее воздействие И ) ( И, прикладываемое к регулирующему органу объекта (задвижка) и обеспечивает тем самым приближение регулируемой величины к заданному значению. Наличие отрицательной обратной связи и замкнутой цепи передачи воздействий УБ-ИУ-О-ИБ-ЭС-УБ обеспечивает достаточно высокую точность управления. Функциональные схемы замкнутых САУ: а) САР по отклонению б) комбинированная в) адаптивная а) б) в) О О О ЗБ ЗБ ЗБ УБ УУ УУ о ИУ ИБ ИБ1 ИБ ИБ2 УУ д Х З Х З Х З Х Х Х Х И Х И Z И И И И Регулятор Обратная связь Обратная связь Обратная связь Х Х=Х -ХИ Х) З И Х Х Z Z Z ЭС И д Рисунок 4 САУ высокой точности обычно строятся по принципу комбинированного управления (рисунок б. В таких системах воздействие И вырабатывается управляющим устройством УУ в функции отклонения и возмущения. Последнее измеряется блоком ИБ2 и подается на вход системы в виде сигнала И, который суммируется с заданием Х З , компенсируя тем самым вредное влияние возмущения Z на управляемую величину Х. Развитие кибернетики позволило применить в автоматических системах новый принцип управления, называемый принципом адаптации (приспособления. Эти системы способны обеспечить высокое качество управления объектами с переменными свойствами и условиями функционирования (например, добычными машинами и буровыми установками, у которых в процессе работы затупляются режущие элементы рабочих органов, изменяются физико-механические свойства горного массива, изменяется масса подвижных частей и т.д.). Адаптивная (самонастраивающаяся САУ (рисунок в) содержит дополнительное управляющее устройство УУд, которое вырабатывает корректирующее воздействие Ид, используя информацию о значениях управляемой величины, задающего, управляющего и возмущающего воздействий. Сигнал Ид вызывает необходимые изменения структуры и параметров основного управляющего устройства УУ 0 , те. осуществляет самонастройку системы в процессе ее функционирования. По характеру изменения задания САУ различают на стабилизирующие, программные, следящие. Системы, имеющие задание поддерживать управляемую величину на постоянном уровне (Хз=const) называются стабилизирующимисистемами пример. Системы, имеющие задание изменять управляемую величину в соответствии с действующей на входе системы переменной величиной (Хз (Хз=var) называются а) если закон изменения Хз известен программными(пример); б) если закон изменения Хз заранее неизвестен следящими(пример). 3.В зависимости от характера сигналов, передаваемых от одного элемента системы к другому, АС делятся на непрерывные и дискретные (импульсные, релейные, цифровые. Непрерывныесистемы имеют на входе и выходе всех элементов сигналы, представляющие собой непрерывные функции времени. Дискретныесистемы имеют в своем составе хотя бы один элемент, сигнал на выходе которого не является непрерывной функцией времени. В импульсныхсистемах имеется хоты бы один элемент, сигнал на выходе которого представляет собой последовательность импульсов, амплитуда, длительность и частота повторений которых зависит от сигнала на входе этого элемента (пример. Релейные системы характеризуются наличием хотя бы одного элемента, сигнал на выходе которого изменяется скачком всякий раз, когда сигнал на его входе проходит через некоторые фиксированные значения, называемые порогами или уровнями. Цифровыесистемы содержат элементы, которые преобразуют непрерывные сигналы в дискретные, путем квантования их по уровню и повремени и осуществляют их представление в виде последовательности чисел в цифровом коде. Импульсные, релейные и цифровые системы образуют класс дискретных систем управления, которые в настоящее время в связи с бурным развитием вычислительной техники получают все большее применение в промышленной автоматике. 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 ив системе всегда имеется так называемая статическая погрешность пример рисунок. В астатических системах установившееся значение управляемой величины не зависит от величины возмущающего воздействия и статическая погрешность равна нулю (пример рисунок. Статическая САР Астатическая САР Х З Х Z Z m i n Z m a x Х H Х m a Х i Х i n Z H Z m a Статические характеристики САР Кн= Хн Хmax-Xmin Q 1 Q 2 + + - М П П Коэффициент неравномерности статическая погрешность) Рекомендуемая литература 1 Гаврилов П.Д., Гимельшейн ЛЯ, Медведев А.Е. Автоматизация производственных процессов Учебник для ВУЗов. – М Недра, С. 2 Батицкий В.А.и др. Автоматизация производственных процессов и АСУ ТП в горной промышленности. М Недра, С. Контрольные задания для СРС [1,2] Классификация и характеристика систем автоматического управления (САУ). Тема 4 Статические и динамические характеристики элементов автоматических систем (часть 1) План лекции 1. Режимы работы элементов автоматических систем. 2. Понятие статической характеристики элемента. Линейные, нелинейные элементы. 3. Передаточный коэффициент линейных и линеаризованных элементов АС. 4. Понятие инерционности элементов и переходного процесса Типовые динамические звенья. Любая автоматическая система (АС) состоит из отдельных блоков или элементов, выполняющих определенные функции процесса управления. Под элементом понимают составную часть системы, которая не может быть разделена на части, имеющие самостоятельное функциональное значение (двигатель, реле, усилитель и т.д.). В общем случае всякий элемент можно рассматривать как преобразователь некоторой величины Х, подаваемый на его вход, в величину Усни- маемую с выхода. Величины Хи У могут быть электрическими (ток, напряжение, сопротивление) и неэлектрическими (перемещение, скорость, температура, давление) иметь одну физическую природу (напряжение на входе и выходе генератора, усилителя) или разную (напряжение на входе двигателя, но угловая скорость вращения вала. Различают два режима работы элементов – статический и динамический. Статический режимхарактеризует установившееся, равновесное состояние элемента, когда его входные и выходные величины во времени не меняются. Динамический режим соответствует переходу (движению) элемента из одного установившегося состояния в другое, при котором Хи У изменяются в функции времени. Исходя из этого, преобразовательные свойства элементов определяют с помощью статических и динамических характеристик. Статической характеристикой называется зависимость ) (x f y в установившемся режиме. Характеристики можно получить как для отдельных элементов, таких соединений, образующих устройство (механизм. Статическая характеристика может быть представлена графически рисунок) или уравнением, например b ax y , где – постоянные коэффициенты. Элементы, у которых зависимость ) (x f y выражается прямой линией, называется линейными (например, рисунок а. Если функция изображается кривыми (рисунок б, в, то элементы, которым они соответствуют, называются нелинейными, при этом характеристику (рисунок б) для некоторой зоны изменения величин (участки 0-1 или 1-2) можно считать с достаточной для практики точностью линейной, а элемент, который она описывает, линеаризованным. Характеристику (рисунок в) имеющую скачки и изломы, ни при каких допущениях нельзя считать линейной. Преобразовательные свойства линейных (и линеаризованных) элементов в статическом режиме работы характеризуют коэффициентом преобразования, называемым передаточным коэффициентом. Его значение определяют как отношение выходной величины к входной величине У – для элементов с линейной характеристикой (рисунок а, а для элементов с линеаризованной характеристикой (рисунок б) – как отношение приращения выходной величины У к приращению входной величины Х Х У К / Коэффициент К остается постоянным во всем диапазоне изменения величины, а значение К изменяется при переходе от одного участка к другому на линеаризованной характеристике ) (x f y У У У Х Х Х 1 1 0 0 0 Статические характеристики элементов а - линейная, б, в - нелинейная = / x y x y k= x y а) б) в) у 1 у 1 у Н х 1 х 1 х 1 х 2 х 2 х 2 у 2 у 2 arctgk Рисунок 5 Для некоторых элементов пере коэффициент получил особые назван обладают инерционность) элементов описываю в определения динамических свойств элементов является даточный ия, подчеркивающие их функции коэффициент усиления для усилителей коэффициент чувствительности для датчиков и т.д. Элементы автоматических систем, как правило, ю обусловленной наличием в их конструкции массы движущихся частей, индуктивности и емкости в электрических цепях, теплоемкости нагреваемых деталей и т.п. Инерционность проявляется в том, что изменение во времени выходной величины не повторяет мгновенно изменение входной величины, а происходит с некоторым запозданием – сдвигом. Переходные процессы (динамические режимы работы тся дифференциальными уравнениями, связывающими входные ивы- ходные величины и их производные во времени. Решение дифференциального уравнения показывает изменение выходной величины ) ( t y во времени при подаче на вход элемента величины ) (t x , изменяющейся по кому-либо заранее известному закону. Одним из способо ка определение их реакции на входное воздействие в виде единичного скачка ) ( 1 t (рисунок, математическое описание которого имеет вид 0 при 0 при x(t) t 1 График единичного скачка входной величины Примерами такого воздействия, мгновенно возрастающего от нуля до единицы и далее остающегося неизменным, являются приложение или изменение напряжения, нагрузки и т.п. Для оценки динамических свойств элементов используют характеристики так называемых типовых динамических звеньев При этом под типовым динамическим звеном понимают часть системы (элемент, устройство, переходный процесс которой описывается обыкновенным дифференциальным уравнением первого или второго порядка. Элементы, различающиеся конструкцией или выполняемыми функциями, но описываемые дифференциальными уравнениями одного вида, относят к одному типу звена. Таким образом, звено выступает как математическая модель части автоматической системы. Различают следующие типовые динамические звенья апериодическое, колебательное, интегрирующее, дифференцирующее, безынерционное (пропорциональное, постоянного запаздывания. Рекомендуемая литература 1 Гаврилов П.Д., Гимельшейн ЛЯ, Медведев А.Е. Автоматизация производственных процессов Учебник для ВУЗов. – М Недра, С. Контрольные задания для СРС [1] 1. Режимы работы элементов автоматических систем. 2. Статические характеристики элементов АС. Тема 5 Статические и динамические характеристики элементов автоматических систем (часть 2) План лекции 1. Переходные характеристики типовых динамических звеньев. 2. Передаточные функции типовых динамических звеньев. 3. Передаточные функции устройств из элементов. Рассмотрим основные характеристики типовых динамических звеньев на примере апериодического звена. Апериодическое звено представляет собой некоторое устройство (например, генератор постоянного тока, электрическая цепь, тепловая система и т.д.) описываемое дифференциальным уравнением первого порядка, которое обычно (в ТАУ) представляется в виде kx y dt dy T , где T – коэффициент, называемый постоянной времени звена, с k – передаточный коэффициент. Важнейшей характеристикой динамического звена, дающей наглядное представление о характере изменения выходной величины во времени является переходная характеристика, которая представляет собой решение дифференциального уравнения звена, полученное при и нулевых начальных условиях (до приложения скачка на входы Хи Убыли равны нулю. Переходная характеристика выражается некоторой функцией времени . Для апериодического звена она имеет вид Эта функция изображена на рисунке, из которого видно, что при подаче на вход звена воздействия в виде единичного скачка, выходная величина стремится к установившемуся значению по экспоненте По графику , полученному экспериментально, можно определить параметры звена К и Т Передаточный коэффициент К численно равен установившемуся значению переходной характеристики, а Т определяется отрезком, отсекаемым касательной, проведенной вначале координат, на линии установившегося значения. График переходной характеристики апериодического звена Теоретически переходный процесс в апериодическом звене заканчивается полностью за время t . Практически длительность переходного процесса принимают равной от Т до Т при этом выходная величина отличается от своего установившегося значения соответственно от 5 до 2%. Другая важнейшая характеристика любого динамического звена – передаточная функция, которая характеризует отношение выходной величины звена к входной в переходном режиме. Для получения передаточной функции необходимо записать дифференциальное уравнение звена в алгебраизи- рованной форме – путем формальной замены знака операции дифференцирования символом (оператором) Р, где dt d P , ареальных переменных – условными переменными , . Такой способ алгебраизации дифференциального уравнения справедлив для случая, когда начальные условия нулевые. При наличии начальных условий для алгебраизации дифференциальных уравнений применяют преобразования Лапласа или Карсона. После алгебраизации дифференциальное уравнение апериодического звена будет иметь вид Из этого уравнения получим передаточную функцию апериодического звена ) ( Если подставить в формулу р, что соответствует , то получим , те. передаточный коэффициент является частным случаем (значением) передаточной функции в установившемся режиме. Переходные характеристики и передаточные функции для всех типовых динамических звеньев представлены в таблице. Характеристики типовых динамических звеньев Динамическое звено Дифер. уравнение Переходная характеристика Передаточная функция Примеры динамических звеньев Апериодическое kx у dу Т dt 1 ) ( Тр k р W Генератор постоянного тока электрич. цепь тепловые системы Колебательное kx y dy Т у d Т 2 2 2 dt dt 1 2 ) ( 2 2 р р Т k р W Эл. двигатель эл. колебательный контур механические системы. Интегрирующее (астатическое) t xdt k у 0 р k р W ) ( Гидроцилиндр, Эл. двигатель (угол поворота от напряже–я) водосборник, бункер. Дифференцирующее dt dx k y kр р W ) ( Механический демпфер, конденсатор Безинерционное пропорциональное) kx y k р W ) ( Электронный усилитель рычажная передача редуктор Постоянного запаздывания p ke р W ) ( Трубопроводы: конвейеры, линии связи, вентиляционные выработки коэффициент, характеризующий затухание колебаний – время запаздывания выходной величины, с |