Автоматизация производственных процессов

178. Функциональные системы программного управления. Характеристика

Функциональные (контурные) СПУ осуществляют движение рабочего органа по сложной траектории. При механической обработке эта траектория определяет контур будущей детали или части ее. Поэтому очень важно при управлении функциональными СПУ обеспечить, чтобы траектория рабочего органа в каждый момент времени совпадала с заданной. В общем случае эта траектория представляет собой сложную функцию типа у = f (x) или z=f(x,y,z). Ввиду невозможности воспроизведения такой траектории одним движением ее заменяют несколькими простыми (однокоординатными) движениями поступательного и вращательного типа. Чтобы движение исполнительного органа было в соответствии с заданной траекторией (в общем случае криволинейной), необходимо в каждый момент времени поддерживать определенное соотношение скоростей и перемещений по управляемым координатам, т. е. должна быть между ними функциональная связь. Эту функциональную связь с высокой степенью точности выполняет устройство, называемое интерполятором.

Функциональные СПУ применяют для автоматизации технологического оборудования, где необходимо перемещать исполнительный механизм по сложной криволинейной траектории. Например, при производстве однослойных и многослойных печатных плат для вычерчивания токопроводящего рисунка на координатографе, при изготовлении деталей, имеющих сложный плоский или объемный контур (токарные, фрезерные, шлифовальные станки), а также в заготовительном и сварочном производстве. Таким образом, функциональные СПУ автоматизируют рабочие операции. Эффективность применения функциональных СПУ особенно возрастает для технологических процессов, где длительность перемещения по сложному контуру значительно превышает Длительность холостых и вспомогательных операций при мелкосерийном характере производства.

Требования по точности у них находятся в пределах: 0,005-0,05 мм -- для высокоточных систем, 0,05-0,1 мм -- для обычных функциональных СПУ; максимальные управляемые скорости составляют 0,6-1,5 м/мин у СПУ, применяемых для автоматизации обработки стальных деталей, до 3 м/мин -- для обработки легких сплавов, до 10 м/мин - - в координатографах.

В функциональных СПУ объем задающей информации может быть значительным (в зависимости от сложности технологического процесса), поэтому для разработки программ здесь целесообразно применять универсальные вычислительные цифровые машины. Путь информации от чертежа к детали показан на рис. 2.1. При использовании УЦВМ связь ее с интерполятором может быть прямой (штриховая линия на рисунке), минуя ручное перфорирование.

На выходе интерполятора получается программа, пригодная для непосредственного использования в системе программного управления станком. Эта программа записывается в унитарном коде (последовательностью импульсов) либо в аналоговой форме (в виде кривой) на магнитную ленту или фотоленту. Если интерполятор является принадлежностью системы управления станком, тогда входом в эту СПУ будет служить программа, записанная на перфоленте, либо выход УЦВМ (штриховая и штрих-пунктирная линии на рис. 2.1).

Рис. 2.1 Схема прохождения информации от чертежа к детали:

1 -- чертеж; 2 -- технологические карты и таблицы; 3 -- ручной перфоратор; 4 -- универсальная цифровая вычислительная машина (УЦВМ); 5 -- перфолента; 6 -- интерполятор; 7 -- магнитная лента; 8 -- пульт программного управления (без интерполятора); 9 -- система программного управления со встроенным интерполятором; 10 --станок; 11 -- деталь.

188. АСУТП с вычислительным комплексом в роли советчика. Схема. Принцип работы

Основным инструментом для решения современных проблем управления материальным производством служат так называемые АСУ, в которых центральная, главенствующая роль и творческие способности человека сочетаются с широким применением современных математических методов и средств автоматизации, включая вычислительную технику.

АСУ - это человеко-машинная система, обеспечивающая автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для оптимизации управления в различных сферах человеческой деятельности. Процесс оптимизации предполагает выбор такого варианта управления, при котором достигается минимальное или максимальное значение некоторого критерия, характеризующего качество управления.

АСУП предназначена для решения основных задач управления производственно-хозяйственной деятельностью промышленного предприятия в целом и (или) его самостоятельных частей на основе применения экономико-математических методов и средств вычислительной техники.

Автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУ ТП) - это АСУ для выработки и реализации управляющих воздействий на технологический объект управления в соответствии с принятым критерием управления. В АСУТП человек играет важнейшую роль, принимая в большинстве случаев решения по управлению. Существенное место в АСУТП занимают автоматические устройства (в том числе средства ВТ), выполняющие операции по переработке информации. Цель функционирования АСУТП - оптимизация работы технологического объекта путем соответствующего выбора управляющих воздействий.

Таким образом, АСУТП - совокупность автоматических устройств средств получения, обработки и передачи информации и технического персонала, осуществляющая контроль и управление ТП с целью оптимизации по заданным параметрам.

АСУ может быть отнесена к классу АСУТП только в том случае, если она осуществляет воздействие на объект в том же темпе, что и протекающие в нем технологические процессы, обеспечивает управление технологическим объектом в целом, а ее технические средства участвуют в выработке решений по управлению.

Современные АСУТП очень разнообразны и могут отличаться друг от друга по функциональному составу, степени автоматизации управления объектом, применяемым техническим средствам и многим другим признакам и характеристикам. Рассмотрим один из них.

АСУТП с вычислительным комплексом, выполняющим информационные функции, содержат все функциональные и аппаратурные элементы, и еще имеет в наличии вычислительный комплекс (ВК), который выполняет функции централизованного контроля работа и состояния оборудования, вычисление комплексных технических и технико-экономических показателей (рис. 5.1).

Вычислительный комплекс получает всю необходимую информацию о состоянии объекта, в том числе о регулируемых и управляемых величинах. Характерной особенностью рассматриваемого вида системы является то, что задачи анализа поступающей информации принятие решений, а также осуществление управляющих воздействий, возлагается на оператора.

Данные об объекте, полученные с помощью ВК, кроме выхода на централизованные средства отображения информации, могут либо передаваться в вышестоящую АСУ для дальнейшей обработки, либо выводиться на внешние накопители. Целью сбора данных может быть также изучение TП при различных условиях. В результате накапливается информация, позволяющая построить и (или) уточнить математическую модель процесса. Ясно, что сбор данных не оказывает воздействия на процесс, однако даже после внедрения самых сложных методов управления с использованием ВК сбор данных для анализа и уточнения модели оказывается полезным и почти всегда предусматривается как одна из задач вычислительного комплекса.

Рис. 5.1

Структурная схема АСУТП с вычислительным комплексом, выполняющим управляющие функции в режиме "советчика", аналогична предыдущей (рис. 5.1). Кроме функций, выполняемых ВК в предыдущей системе, на него возлагают задачи анализа поступающей информации и поиска оптимальных решений с выдачей рекомендаций (советов) по управлению оператору-технологу. Окончательный выбор и осуществление управляющих воздействий по-прежнему остается за оператором. Такая АСУ функционирует следующим образом: через заданные промежутки времени (обычно раз в 10-15 минут) полученные в ВК данные о состоянии объекта и комплексные технические и технико-экономические показатели анализируются с помощью математической модели управляемого процесса. Путем вычислений по модели определяются воздействия, необходимые для приближения процесса к оптимальному состоянию, результаты представляются оператору, который управляет процессом, изменяя регулируемые механизмы в соответствии с рекомендациями, вырабатываемыми ВК. При этом оператор выполняет роль следящего и координирующего звена и вносит изменения по советам ВК, который, в свою очередь, непрерывно помогает оператору в его усилиях оптимизировать ТП.

Наиболее серьезный недостаток подобной системы заключается в быстрой утомляемости операторов при необходимости перестраивать систему в соответствии с рекомендациями каждые 10-15 минут, причем количество контролируемых параметров может быть более 100. Вместе с тем такие системы удовлетворяют требованию осторожного подхода к новым способам управления, обеспечивая хорошие возможности проверки новых моделей процесса, так как контроль за управлением ведет технолог, который может исключить неправильные установки.

198. Классификация промышленных роботов

Говоря об общей классификации робототехнических систем, можно указать следующие их большие классы:

- манипуляционные;

- мобильные движущиеся;

- информационные и управляющие.

Наиболее развитые и практическое применение получили манипуляционные робототехнические системы различных типов.

Мобильные движущиеся робототехнические системы представляют собой некоторые платформы или шасси, перемещением которых управляет автоматика. При этом кроме программы маршрута движения они имеют запрограммированную автоматическую адресовку цели, могут автоматически нагружать и разгружать. В промышленных целях они предназначаются для автоматической доставке деталей и инструмента к станкам и от станков к складам. На таких подвижных системах могут устанавливаться манипуляционные механизмы. К таково рода системам относятся движущиеся устройства для обслуживания автоматических складов в разных отраслях народного хозяйства.

В мобильных робототехнических системах используют любые принципы движения. Они могут быть колесными, шагающими, колесно-шагающими, гусеничными, летающими, плавающими и т.п.

Информационные и управляющие робототехнические системы представляют собой некоторые комплексы измерительно - информационных и управляющих средств, автоматически производящих сбор, обработку и передачу информации.

В промышленных целях - это системы автоматического контроля и управления для почти безлюдного производственного процесса, комплексно - механизированного, в том числе с групповым использованием промышленных роботов. Подобные системы применяют и в автоматических системах проектирования, при выполнении технических и экономических расчетов и др.

Рассмотрим более подробно класс манипуляционных робототехнических систем. Их можно разделить на три вида (рис.1).

1. Автоматические движущиеся роботы, автоматические манипуляторы и роботизированные технологические комплексы;

2. Дистанционно управляемые роботы, манипуляторы, технологические комплексы;

3. Ручные, непосредственно связанные с движением рук, а иногда и ног человека.

Первые из них применяют в основном в промышленном производстве (промышленные роботы и роботизированные комплексы), а вторые главным образом - в экстремальных условиях, т.е. при наличии радиации, загазованности, взрывоопасности, высоких и низких температур и давлений. Третий вид применяют для погрузочно - разгрузочных и тяжелых работ.

Автоматически действующие манипуляционные роботы делят ив четыре рода: жестковстроенные, программные, адаптивные и «интелектные». Вместо термина «род» применяют также «поколение». Но, поскольку жестковстроенные машины еще не являются, роботами, они представляют собой нулевое («доработанное») поколение. Программные - первое поколение, адаптивные - второе поколение, интелектные - третье поколение. Однако здесь в отличие от вычислительной техники эти поколения не сменяет друг друга, а существуют параллельно, развиваясь внутри каждого из них. Поэтому четвертого поколенья роботов нет, а искусственный интеллект третьего поколения может развиваться почти неограниченно по мере развития науки я техники, а также возможность использования все новых поколений микро ЭВМ.

Охарактеризуем каждое из этих покаленей автоматически действующих робототехнических систем.

Рисунок 1

Жестковстроенные манипуляторы не имеют перестраевыемых программных управляющих устройств. Это механические руки (автооператоры). Они жестко связан с остальным технологическим оборудованием, подчиняясь определенной программе технологического процесса в целом. Их применение, в частности, характерно для замены ручного труда в массовом производстве, например, на линиях сборки механизмов на часовых заводах.

Программные роботы (первое поколение роботов) имеют управляемые приводы во всех суставах, и система управления легко переналаживается на различные, ручные операции. Но после каждой переналадки они повторяют многократно одну в ту к же жесткую программу, в строго определенной обстановке, с определенно расположенными предметами. Таково большинство современных промышленных роботов, выполняющих вспомогательных операций у штампов, станков, линейных машин и т.п. Такой робот будет совершать те же движения, если даже детали не на месте. Кроме того, он требует создавал технологической оснастки упорядочивающей положение деталей. Но это сделать не всегда просто, а, главное жесткая оснастка затрудняет переналадку роботе на новые операции. Поэтому целесообразно бывает усложнить систему управления самого робота, т.е. перейти к применению второго поколения роботов.

Второе поколение - адаптивные роботы, т.е. такие, которые могут самостоятельно в большей или меньшей степени ориентироваться в нестрого определенной обстановке, приспосабливаясь к ней. Для этого их снабжают, во-первых, каками-либо датчиками, реагирующими на обстановку, и, во-вторых, системой обработки информации от датчиков для выбора сигналов адаптивного управления, т.е. гибкого изменения программы движения манипулятора в соответствии с фактической обстановкой. В настоящее время в таких системах широко используют компактные микропроцессорные устройства.

Адаптивные промышленные роботы необходимы во всех случаях, когда трудно создать строго определенную обстановку, при обходе препятствий, при работе с движущимися на конвейере деталями, в сборочных операциях, при дуговой сварке, окраске, нанесении покрытий и в других операциях. Адаптивные роботы второго поколения широко разрабатываются и эксплуатируются на производстве.

Третье поколение - интеллектные роботы с более богатым очувствлнием, с микропроцессорной обработкой информации, распознаванием обстановки, с автоматической выработкой роботом решения о своих дальнейших действиях, для выполнения нужных технологических операций в неопределенной или меняющейся обстановке - это роботы с элементами искусственного интеллекта.

Дистанционно управляемые роботы и манипуляторы по классификационной схеме делятся на пять родов:

манипуляторы с командным управлением,

копирующие манипуляторы,

полуавтоматические манипуляторы,

роботы с супервизовым управлением,

роботы с диалоговым (интерактивным) управлением.

Только два последних из них названа роботами, так как они наряду с дистанционным управлением имеют полностью автоматически режимы работы.

Манипуляторы с командным управлением отличаются тем, что человек-оператор включает по отдельности приводы каждого сустава манипулятора дистанционно путем нажатия на соответствующие кнопки или тумблеры. Такие манипуляторы применяют, например, на обитаемых подводных аппаратах.

В таком же командном режиме часто производится «обучение» промышленного робота с пульта управления. По аналогичному принципу работают и так называемые телеоператоры, находящиеся в опасной зоне.

Копирующие манипуляторы, находящиеся в опасной зоне, управляются дистанционно человеком - оператором с удаленного безопасного места при помощи задающего устройства, кинематически подобного рабочему манипулятору. При этом движение каждого сустава задающего механизма передается на соответствующий сустав рабочего манипулятора по принципу следящей системы. Такие манипуляторы применяют для работ при наличии радиации, загазованности и в других экстремальных условиях.

Полуавтоматические манипуляторы в отличие от копирующих в качестве задающего устройства на пульте оператора имеют компактную многостепенную управляющую рукоятку, кинематика которой может быть произвольной, удобной для малых движений руки человека. Снимаемые с нее электрические сигналы преобразуются с помощью специализированного вычислителя в сигналы управления на приводы манипулятора. Здесь возможны различные алгоритмы управления.

Роботы с супервизорным управлением характеризуются тем, что элементы выполняемых ими операций запрограммированы и могут воспроизводиться автоматически. Человек-оператор, наблюдающий дистанционно за действиями робота, установленного в опасной зоне, подает только отдельные переуказательные команды, по которым включается та или иная программа автоматического действия робота. За человеком остается лишь функция распознавания обстановки и принятая решений. После подачи им целеуказательной команды робот действует по определенной программе. Если этот робот являемся адаптивным, то человек-оператор может подавать более редкие и более «глобальные» команды.

Роботы с комбинированным управлением - это роботы, в которых сочетаются автоматические режимы (как у роботов с супервизорным управлением) с режимами управления от руки (как у полуавтоматического или копирующего манипулятора). Их применяют на необитаемых подводных аппаратах, во взрывоопасных и горячих цехах, для безлюдной работы в шахтах, в атомной энергетике а т.п. Такое комбинированное управление используют в различных типах телеоператоров.

Роботы с диалоговым (интерактивным) управлением, как правило, являются интеллективными, а отличаются от супервизовых тем, что робот не только принимает команды человека для их исполнения, но и сам активно участвует в распознавании обстановка и принятии решения, помогая в этом человеку-оператору.

Наконец третий вид манипуляционных робототехнических систем (ручные) делятся на шарнирно-балансирные манипуляторы и экзоскелетоны (усилители конечностей человека).

Шарнирно-балансный манипулятор представляет собой многозвенчатый механизм с приводами в каждом суставе, которые при любой величине удерживаемого манипулятором груза (в пределах его rpyзoподъемности) при любом расположении звеньев в пространстве находится в равновесии. Поэтому человек, взявшись за рукоятку манипулятора, легко может перемещать большой груз. Двигая рукоятку, человек осуществляет подачу управляющих сигналов, при этом вся работа по перемещению груза выполняется приводами, размещенными в суставах манипулятора. Такие системы удобны для погрузочно- разгрузочных работ.

Экзоскелетоны - многозвенные механизмы, звенья которых непосредственно сопряжены с руками или ногами человека. В суставах механизма, соответствующих суставам человека, в этом случае также помещены управляемые двигатели, берущие на себя всю тяжесть работы. Движения самого человека формируют лишь сигналы управления. Такие системы применяют для усиления конечностей человека. Это бывает полезно для выполнения тяжелых работ и движения по труднопроходимой местности. Экзоскелетоны можно встраивать, например, в водолазные костюмы для облегчения и усиления действий водолазов, когда это необходимо.

На рис.1 вертикальными линиями показаны типа, на которые делится каждый род (поколение) роботов. Этих типов может быть достаточно много. Они различаются принципами и техникой построения управляющих устройств, приводов в суставах манипулятора, числом звеньев манипулятора, грузоподъемностью, видом очувствления, математическим программным обеспечением и т.п.

Для полной ориентации объекта необходимы три степени подвижности, которые обычно реализуются тремя вращательными парами, осуществляя повороты охвата в горизонтальной, вертикальной плоскостях и вокруг оси схвата.

ПР могут быть колесными, гусеничными и стопоходящими (шаговыми). Тип рабочей зоны - одна из важных характеристик - это фигура описываемая при прохождении им предельно достижимых положений.

Для общей характеристики достаточно качественно определить тип рабочей зоны - рабочая зова на плоскости, в сфере, на поверхности параллепипеда, цилиндрическая, шарообразная или комбинированная.

Этим типам соответствуют разные системы координат.

Грузоподъемность - это масса перемещаемых изделий и орудий труда

да. Подразделяют:

- сверхлегкие (ряд грузоподъемностей 0,1; 0,16; 0,25; 0,4; 0,63; 1,0 кг);

- легкие (1,5; 2,5; 4,0; 6,3; 10,0 кг);

- средние (16, 25, 63, 100 кг);

- тяжелые (160, 250, 400, 630, 1000 кг);

- сверхтяжелые (свыше 1000 кг).

Тип приводов - пневматический, гидравлический и электромеханический. Часто применяют комбинации, например, тип привода охвата может отличаться от типа приводов звеньев манипулятора.

Типы систем управления разделяют по принципу управления: роботы с программным управлением, очувствительные роботы и роботы с искусственным интеллектом.

В первом случае работает жесткая программа. Во-втором - управление ведется с учетом фактического состояния внешней среды, в третьем - робот снабжают устройствами очувствления (сенсорикой), в виде тактильных, локационных, телевизионных и других устройств.

Системы управления очувствленных роботов делятся на неадаптивные и адаптивные. Роботы с искусственными интеллектами являются дальнейшим развитием очувствлении роботов в части алгоритмов функционирования и соответствующего сенсорного обеспечения.

По типу движения по отдельным степеням подвижности системы управления делятся на СУ непрерывного (контурного) и дискретного (позиционного) управления движением.

По числу управляемых ПР системы управления делятся на системы индивидуального и группового управления.

Под классом точности позиционирования и воспроизведения траекторий обычно понимается абсолютная точность позиционирования схвата, однако более объективно класс точности определяется относительной погрешностью позиционирования или воспроизведения траекторий.

Относительная погрешность - это величина, характеризующая точность ПР и равная отношению абсолютной ошибки перемещения схвата в заданную точку к минимальному расстоянию от оси ближайшей к основанию робота кинематической пары до границы рабочей зоны, выраженная в процентах. ПР различают также по типам исполнения - нормальное, пылезащитное, теплозащитное, взрывобезопасное и т.п.

Еще один признак - "назначения" по степени универсальности:

- специальные ПР - для деталей одного типа;

- специализированные - для деталей одного класса;

- универсальные ПР.

При классификации существующих и создаваемых роботов могут быть использованы различнее подхода, наиболее распространенными из которых являются разделение (ПР) по поколениям.

К ПР первого поколения относятся наиболее простые, легко перестраиваемые автоматы, вся последовательность действий которых заранее определяется жесткой программой. Для таких систем оператор является единственным источником информации о требуемых действиях и вводит ее в процессе обучения робота в запоминающее устройство. Информация, вводимая в процессе программирования, включает в себя данные о последовательности движений и положений звеньев манипулятора в соответствуйте моменты времени.

Для жесткопрограммируемых роботов в процессе обучения могут быть применены три способа программирования: ручной, полуавтоматический, автоматический. При ручном способе оператор участвует во всех этапах программирования, имитируя перемещение захвата манипулятора в нужные точки рабочей зоны. При этом координаты точек записываются в кодах на программоноситель. При полуавтоматическом программировании оператор участвует в нескольких этапах формирования программы. При автоматическом - задача оператора сводится к укрупненному формированию программы и предварительных давних управляющему устройству.

ПP второго поколения представляют собой гибкопрограммируемые устройства, оснащенные средствами, позволяющими получать информацию о свойствах внешней среды. Причем изменения окружающей обстановки должны быть заранее определены так, чтобы в ходе выполняемой работы робот мог автоматически скорректировать программу в соответствии с ними (неадаптируемые ПР). Более сложные, так называемые адаптивные (очувствительные) роботы могут заполнять различные операции в условиях заранее неизвестных изменениях окружающей обстановки.

К промышленным роботам третьего поколения относятся устройства с развитой сенсорной системой, высоким уровнем автоматичности и самостоятельности поведения в изменяющейся неупорядочной среде. Их называют интегральными роботами. Роль человека в управлении ими должна сводиться лишь к принципиальному анализу обстановки, принятию решений, носящих обобщенный характер, и выдаче целевых указаний на языке микропрограмм.

208. Система автоматического регулирования. Принципы построения и анализ

Рассмотрим структурную схему системы управления в общем виде (рис. 7.1). Объект управления - это некий механизм, агрегат или устройство, либо технологический, энергетический процесс, желаемое поведение и протекание которого должно быть обеспечено.

Рис 7.1

Поведение объекта управления, результат его действия определяются некоторыми показателями хn. Чаще всего ими являются значения физических величин, которые называют выходными величинами объекта управления. К ним относят наиболее важные для оценки поведения объекта и его практического использования величины.

Кроме этих основных параметров, работа объекта характеризуется рядом вспомогательных параметров yi , которые также должны контролироваться и регулироваться (например, поддерживаться постоянными).

В процессе работы на объект поступают возмущавшие воздействия f1, f2,…,fi, вызывающие отклонение параметров xn. Информация о текущих значениях xn и yi поступает в систему управления и сравнивается с предписанными им значениями g1, g2,…,gк, в результате чего система управления вырабатывает управляющие воздействия Е1, Е2,...,Еm для компенсации выходных параметров.

Входные воздействия, с точки зрения их влияния на действие объекта и на его выходные величины xn, разделяются на две принципиально отличные группы. Некоторые из входных воздействий обеспечивают желаемое изменение поведения объекта, достижение поставленных целей. Такие входные воздействия называют управляющими Еm и при их отсутствии задача управления вообще не имеет решения. При ручном управлении такие воздействия на объект осуществляет оператор, при автоматическом - система управления (см. рис. 7.1).

Другие входные воздействия fi , напротив, мешают достижению цели и изменять их, как правило, невозможно. Такие воздействия называют возмущающими или помехами.

Задача управления, по существу, заключается в формировании такого закона, при котором достигается желаемое поведение объекта.

Сложная и разносторонняя задача управления в подавляющем большинстве случаев включает более узкую задачу регулирования. Задача регулирования заключается в поддержании выходных величин объекта равными (или пропорциональными) некоторым эталонным функциям времени - задающим воздействиям. Последние могут быть постоянными или изменяющимися как по заданному, так и по заранее неизвестному закону. В нашем случае объектами регулирования выступают вспомогательные параметры yi.

Существуют различные принципы автоматического регулирования. Самый простой из них основан на использовании разомкнутых систем, применяемых в тех случаях, когда можно пренебречь влиянием возмущающих воздействий.

1. Разомкнутая система регулирования (рис.7.2) действует следующим образом. При изменении задающего воздействия g формирующий элемент 3 вырабатывает необходимое "указание" исполнительному механизму 2, Последний создает регулирующее воздействие z на объект регулирования 1. В результате регулируемая величина y приближается с той или иной точностью к требуемому значению.

Формирующий элемент и исполнительный механизм составляют регулятор. Регулятор и объект в совокупности образуют систему регулирования.

Рис 7.2 - Рис 7.3

При конструировании подобного регулятора необходимо знать все свойства объекта регулирования, тогда при условии отсутствия возмущений можно правильно предвидеть влияние задающего действия на регулирующею величину.

Область применения системы регулирования ограничена тем, что нельзя пренебречь влиянием возмущений. При определенном задающем воздействии и различных возмущениях выходная величена объекта (регулируемая величена) будет иметь разные значения и, следовательно, задача регулирования не будет решена. В связи с этим возникает необходимость контроля возмущений или хотя бы основного из них возмущения f (рис.7.3). Это возмущение нужно измерить и при его изменениях создавать дополнительное воздействие на объект, компенсирующее влияние возмущений. В регуляторе оказывается необходимым еще элемента 4, который через формирующий элемент 3 создает компенсирующее воздействие исполнительного механизма2 на объект 1

Рассмотренные системы является разомкнутыми: в них регулируемая величена y не влияет на действие регулятора. Это значит, что характер регулирующих воздействий зависит от свойства объекта лишь в той степени, в какой это учтено при конструировании регулятора. Однако из-за изменения свойств объекта» влияния второстепенных возмущений действительное значение регулируемой величины может значительно отличаться от требуемого значения. К тому же, в подавляющем большинстве случаев отсутствует исчерпывающая и достоверная информация о свойствах объекта регулирования и о характере возмущений, и разомкнутые системы регулирования оказываются неэффективными. Поэтому прибегают к созданию более современных замкнутых систем автоматического регулирования (САР).

2. В замкнутой системе используется принцип обратной связи. Такая система в простейшем случае (рис.7.4) состоит из объекта регулирования 1 и регулятора, который кроме исполнительного элемента 2 и формирующего элемента 3 имеет еще измерительный элемент 4 и элемент сравнения 5.

Рис. 7.4

Измерительный элемент 4 осуществляет обратную связь в системе - обеспечивает влияние регулируемой величины y на вход системы. Сигнал y0, пропорциональный регулируемой величине, сравнивается с задающим воздействием g. Если регулируемая величина отклонилась от требуемого значения, то изменяется сигнал рассогласования (сигнал ошибки) x=g-y0, который воздействует на элемент 3. Затем воздействие передается на исполнительный элемент 2 и на объект. В результате отклонение регулируемой величины от требуемого значения устраняется (с определенной степенью точности).

Таким образом, в замкнутой системе воздействие на объект формируется не только в зависимости от задающего воздействия, как в системе, показанной на рис.2, но и от состояния объекте и наличия возмущений. Точнее, регулирующее воздействие определяется отклонением регулируемой величины от заданного значения. Такие регуляторы носят название регуляторов по отклонению. Принцип обратной связи позволяет успешно решать задачу регулирования, несмотря на некоторую неопределенность или неточность в известных конструктору характеристиках объекта регулирования и исполнительного механизма, а также сведениях о возмущениях.

Можно видеть, что в замкнутой САР по отклонению нет необходимости получать информацию непосредственно о задающем воздействия, которое используется лишь для сравнения с сигналом обратной связи, и о возмущениях, однако это допустимо не всегда. В некоторых случаях качество такого регулирования оказывается неприемлемо низким. Тогда обеспечивается комбинированное регулирование, т.е. сочетание принципов замкнуто - разомкнутой систем.

3. При комбинированном регулировании создается дополнительная связь 6 по возмущению (рис.7.5), которая компенсирует влияние возмущения "в основном", а замкнутый контур устраняет рассогласование, возникающее при изменениях задающего воздействия и вследствие неточности действия дополнительной связи 6. Используются также комбинированные системы с дополнительной связью 7 по задающему воздействию (pиc. 6), которая и обеспечивает "в основном" его воспроизведение регулируемой величиной. Замкнутый контур в этом случае устраняет рассогласование, возникающее из-зa неточности действия дополнительной связи 7 и от возмущений.

Рис. 7.5 Рис. 7.6

Основным источником информации служит программа управления. Она может быть сообщена системе заранее. В программе даются сведения о характере движения рабочих органов их синхронизации, режимах работы, различные технологические и другие команды.

Другим источниками информации является сам ТП. Существующие датчики позволяют получить информацию о фактическом положении, скорости движения рабочего органа, размере обрабатываемых поверхностей к т.п. Эту информацию называют информацией обратной связи, а датчик - датчиком обратной связи.

Источником возмущений служит окружающая среда (температура, влажность, колебания припуска заготовки, уровень вибрации и др.).

Количество каналов информации структура определяют качество работе систем управления. Чем больше используется каналов информации, тем выше качество работы системы, шире ее функциональные возможности.

Использование только одного канала информации значительно упрощает конструкцию системы управления, однако нормальное функционирование такой системы требует высокого качества изготовления ее элементов.

В замкнутых системах управления, в которых для снижения технологических требований к отдельным элементам и повышения качества работа систем применяют обратные связи, используют два канала: канал задающей информации к канал обратной связи. Сопоставление задавшей информации с информацией обратной связи осуществляется в сравнивающем устройстве, на выходе которого вырабатывается команда, необходимая для управления приводом. Качество работы замкнутой системы выше, чем разомкнутой, при некотором осложнении ее конструкции. В замкнутых системах управления обычно используются управляемые приводы, структуру с замкнутой схемой управления имеют большинство систем программного управления и копировальные системы.

Для оптимального управления течением ТП необходимо использовать два или более двух каналов дополнительной информации. Системы управления, использующие два или более двух каналов дополнительной информации и имеющие устройство для коррекции управляющего сигнала, можно отнести к классу приспосабливающихся систем.

В зависимости от вида информации, которая используется системами, последние делят на непрерывные, импульсные и смешанные СУ.

Система управления всей работой технологического оборудования включает в себя ряд систем управления элементарными циклами работа отдельных механизмов и осуществляет либо функциональное управление ИМЕ, либо просто включение, синхронизацию и блокировку. Такие системы называются системами управления общим автоматическим циклом или системами группового управления.

Закон регулирования в замкнутых САР определяется зависшее регулирующего воздействия z от рассогласования x (см. рис. 7.4) Простейшими законами регулирования являются пропорциональный когда z=c1x (система с П - регулятором). и интегральный, когда

(система с И -регулятора). Более совершенны системы, когда в законе регулирования кроме пропорциональной составляющей имеется интеграл от рассогласования:

(система с ПИ - регулятором). Наилучшие результаты получаются при введении в закон регулирования еще и производной от рассогласования:

(система с ПИД - регулятором). В комбинированных системах закон регулирования содержит, креме того, составляющих, зависящие от внешних воздействий.

Для обыкновенных САР достаточно определить реакции на некоторые эталонные воздействия и затем делать выводы относительно влияния внешних воздействий произвольного вида. На этом основании при расчетах обыкновенных САР широко используют метод передаточных функций и частотный метод.

Анализ устойчивости - это одна из основных задач анализа САР. Собственно, решение проблемы устойчивости и послужило началом теории автоматического регулирования.

Анализ динамического режима систем автоматического регулирования позволяет получить очень важные сведения об устойчивости замкнутой системы и ее быстродействии, так как устойчивость определяет ее работоспособность, а быстродействие влияет на динамическую точность и производительность.

При замыкании система, удовлетворяющая всем требованиям установившегося режима, часто оказывается неустойчивой. Неустойчивой система считается в том случае, если при снятии входного управляющего воздействия на выходе ее имеют место незатухающие колебания.

Следует отметить, что устойчивость, быстродействие и коэффициент усиления, являясь основными критериями оценки качества работы системы, находятся между собой в противоречии и между ними приходится искать компромиссное решение.

Математическая модель системы представляет собой дифференциальное уравнение, устанавливающее количественные и логические зависимости между отдельными элементами системы, а также между системой и объектом управления. Разработка математической модели упрощается при использовании "элементарных динамических звеньев", для которых известна дифференциальные уравнения и все необходимые характеристики. Однако наиболее развитые системы имеют математическую модель в виде сложных дифференциальных уравнений высокого порядка, решение которых в общем виде весьма трудоемко.

Одним из наиболее распространенных методов анализа САР является метод преобразования Лапласа-Карлсона. Этот метод основан на том, что заданные и искомые функции времени u (t ) (). При этом используется преобразование Лапласа-Карлсона:

Использование преобразования Лапласа позволяет такие трудоемкие операции, как дифференцирование и интегрирование функции времени при нулевых начальных условиях, заменить соответственно делением и умножением на оператор р .

В результате, для получения изображения выходной величины достаточно изображение входной величины умножить на передаточную функцию системы:

Y(p)=x(p)W(p)

Метод применим для линейных уравнений с постоянными коэффициентами. Решение дифференциальных уравнений при этом не намного проще обычного, но использование таблиц с большим количеством изображений и оригиналов несколько упрощает анализ. Этот метод не дает представление о критериях качества.

Наиболее просто сведения о критериях качества определяются из кривой переходного процесса, получающейся на выходе системы при подаче на вход ступенчатого воздействия.

Рассмотрим типовую передаточную характеристику. О степени устойчивости здесь судят по величине перерегулирования h быстродействии - по времени переходного процесса tp или по времени Т0. Коэффициент усиления К у можно определить по кривой переходного процесса при подаче на вход системы скачка скорости.

Метод анализа переходного процесса СAP удобен при экспериментальном определении показателей качества. Им удобно пользоваться при исследовании систем на аналоговых вычислительных машинах методом электронного моделирования. Однако построение переходного процесса путем расчетов затруднено.

Наиболее полные сведения о системе регулирования можно получить по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) замкнутой системы. Быстродействие система в этом методе характеризуется резонансной частотой , полосой пропускания на уровне 1 или частотой при затухав сигнала до уровня 0,707. Мерой устойчивости здесь служит показатель колебательности М. Процесс построения этой характеристики тоже является трудным.

Одним из разновидностей частотного метода является метод логарифмических амплитудно - частотных характеристик.

Все методы применимы лишь к линейным или линеаризованным системам. Анализ нелинейных систем очень трудоемок.

Большое распространение получил метод моделирования на ЭВМ. Он имеет широкие возможности, позволяет, учитывать нелинейности, при этом снижается трудоемкость расчетов. Сущность метода моделирования заключается в замене системы или ее частей типовыми блоками, соединенными между собой определенным образом. Электронная модель имеет туже же физическую сущность описывается теми же дифференциальными уравнениями, что и реальная система, отличаясь от нее лишь масштабами и мощностью. Метод моделирования, удобно применять в сочетании с другими методам в качестве подготовительных.

Литература

1. «Имитационное моделирование технологических систем» Юрков Н.К. Учебное пособие - Пенза: Пенз. политехн. Институт, 1989 г

2. «Комплексная автоматизация процессов производства РЭА» Юрков Н.К. Учебное пособие - Пенза: Пенз. политехн. Институт, 1985 г

3. «Управление технологическими процессами производства радиоэлектронной аппаратуры» Юрков Н.К. Конспект лекций - Пенза: Пенз. политехн. Институт, 1986 г

4. «Технология и автоматизация производства радиоэлектронной аппаратуры» Учебник для втузов И.П. Бушминский, А.П. Достанко, О.Ш. Даутов и др - М.: Радио и связь, 1989 г

5. «Технология радио электронного аппарата строения» П.И. Буловский, В.М. Миронов - М.: «Энергия», 1971 г

Страницы: 1, 2