9.1 Основные понятия и определения автоматики
Автомат (греч. automatos – самодействующий) – это устройство (совокупность устройств), функционирующее без участия человека.
Автоматизация – это процесс в развитии машинного производства, при котором функции управления и контроля, ранее выполнявшиеся человеком, передаются приборам и автоматическим устройствам.
Цель автоматизации – повышение производительности эффективности труда, улучшение качества продукции, оптимизация планирования и управления, устранение человека от работы в условиях, опасных для здоровья.
Автоматизация – одно из основных направлений научно-технического прогресса.
Автоматика как учебная дисциплина –это область теоретических и прикладных знаний об автоматически действующих устройствах и системах.
История автоматики как отрасли техники тесно связана с развитием автоматов, автоматических устройств и автоматизированных комплексов. В стадии становления автоматика опиралась на теоретическую механику и теорию электрических цепей и систем и решала задачи, связанные с регулированием давления в паровых котлах, хода поршня паровых и частоты вращения электрических машин, управления работой станков-автоматов, АТС, устройствами релейной защиты. Соответственно и технические средства автоматики в этот период разрабатывались и использовались применительно к системам автоматического регулирования. Интенсивное развитие всех отраслей науки и техники в конце первой половины XX века вызвало также быстрый рост техники автоматического управления, применение которой становится всеобщим.
Вторая половина XX века ознаменовалась дальнейшим совершенствованием технических средств автоматики и широким, хотя и неравномерным для разных отраслей народного хозяйства, распространением автоматических управляющих устройств с переходом к более сложным автоматическим системам, в частности в промышленности - от автоматизации отдельных агрегатов к комплексной автоматизации цехов и заводов. Особенностью является использование автоматики на объектах, территориально удаленных друг от друга, например, крупные промышленные и энергетические комплексы, аграрные объекты по производству и переработке сельскохозяйственной продукции и т.д. Для связи между отдельными устройствами в таких системах применяются средства телемеханики, которые совместно с устройствами управления и управляемыми объектами образуют телеавтоматические системы. Большое значение при этом приобретают технические (в том числе телемеханические) средства сбора и автоматической обработки информации, так как многие задачи в сложных системах автоматического управления могут быть решены только с помощью вычислительной техники. Наконец, теория автоматического регулирования уступает место обобщённой теории автоматического управления, объединяющей все теоретические аспекты автоматики и составляющей основу общей теории управления.
Введение автоматизации на производстве позволило значительно повысить производительность труда, сократить долю рабочих, занятых в различных сферах производства. До внедрения средств автоматизации замещение физического труда происходило посредством механизации основных и вспомогательных операций производственного процесса. Интеллектуальный труд долгое время оставался немеханизированным. В настоящее время операции интеллектуального труда становятся объектом механизации и автоматизации.
Существуют различные виды автоматизации.
1. Автоматический контроль включает автоматическую сигнализацию, измерение, сбор и сортировку информации.
2. Автоматическая сигнализация предназначена для оповещения о предельных или аварийных значениях каких-либо физических параметров, о месте и характере нарушений ТП.
3. Автоматическое измерение обеспечивает измерение и передачу на специальные регистрирующие приборы значений контролируемых физических величин.
4. Автоматическая сортировка осуществляет контроль и разделение продуктов и сырья по размеру, вязкости и другим показателям.
5. Автоматическая защита это совокупность технических средств, обеспечивающих прекращение контролируемого ТП при возникновении ненормальных или аварийных режимов.
6. Автоматическое управление включает комплекс технических средств и методов по управлению оптимальным ходом ТП.
7. Автоматическое регулирование поддерживает значения физических величин на определенном уровне или изменение их по требуемому закону без непосредственного участия человека.
Эти и другие понятия, относящиеся к автоматизации и управлению, объединяет кибернетика – наука об управлении сложными развивающимися системами и процессами, изучающая общие математические законы управления объектами различной природы (kibernetas (греч.) – управляющий, рулевой, кормчий).
Система автоматического управления (САУ) - это совокупность объекта управления (ОУ) и устройства управления (УУ), взаимодействующих между собой без участия человека, действие которой направлено на достижение определенной цели.
Система автоматического регулирования (САР) – совокупность ОУ и автоматического регулятора, взаимодействующих между собой, обеспечивает поддержание параметров ТП на заданном уровне или их изменение по требуемому закону, действуюет также без участия человека. САР является разновидностью САУ.
Объект управления (Рис.9.1) – отдельное устройство, установка, ТП и др., характеризующееся конкретными параметрами и подлежащее управлению.
Устройство управления (УУ) или регулятор – это устройство или совокупность устройств, состоящее из средств автоматики и телемеханики, формирующее регулирующее воздействие для ОУ.
|
| Рис.9.1 – Объект управления (общее представление): u1, u2, … un – входные регулирующие (управляющие) воздействия; y1, y2, …yn – выходные управляемые величины (параметры); f1, f2, …fn - возмущающие воздействия |
Схемы систем автоматики
Используется три основных вида схем автоматики.
1. Структурная схема САУ (Рис. 9.2). Это изображение системы в виде взаимосвязанных элементов. В зависимости от назначения элементов структурные схемы имеют разный вид и разное название.Структурная схема отображает наиболее общие связи между УУ и ОУ.
|
 Рис. 9.2 – Структурная схема САУ:
УУ – устройства управления; ОУ – объект управления; ОС – обратная связь; g(t) – задающее воздействие; u(t) – управляющее воздействие; y(t) – управляемая величина (регулируемый
параметр); f(t) – возмущающее воздействие
|
Обратная связь (ОС) – это связь между выходом и входом системы или отдельного элемента внутри системы.
Главная ОС – связь между выходом и входом системы.
Местная ОС (коррекция) – это связь внутри системы, охватывающая один или несколько элементов (на структурной схеме САУ не отображена).
Структурная схема САУ, как правило, используется при математическом моделировании процесса управления. Она описывает типовые составные части САУ с отображением типовых звеньев, математическими правилами связей между ними и описываемых алгоритмами преобразования информации.
2. Функциональная схема САУ (Рис 9.3) отображает устройства и элементы САУ более подробно, а также функциональные связи между ними.
 
|
| Рис. 9.3 – Функциональная схема САУ: ЗУ – задающее устройство; УС – устройство сравнения; УПУ – усилительно-преобразующее устройство; УВ – устройство воздействия (может содержать свои элементы, Рис. 9.4); ОУ – объект управления; Д – датчик; ИП – информационный преобразователь; УИ – устройство измерения; КЭ – корректирующий элемент; g(t) – задающее воздействие (некоторая физическая величина); х(t) – задающее воздействие той же природы что и y1(t); ε(t) – рассогласование между х(t) и y1(t); u(t) – сигнал управления, обеспечивающий функционирование УВ; z(t) – управляющее воздействие; y(t) – контролируемый параметр; y1(t) – измеренное значение параметра y(t) Элементы функциональной схемы отображают функции, задачи и операции, а линии связи – потоки информации. Устройство управления (УУ) - блок, выполняющий вычислительные функции, слабо связанные с физической природой ОУ. Алгоритм его работы определяется динамическими свойствами управляемого процесса (математической моделью ОУ) и задачами системы управления. Современные УУ представляют собой универсальные или специализированные средства вычислительной техники. Их программное обеспечение составляют системные средства и специальные прикладные программы, осуществляющие расчет управляющих воздействий u(t). Объект управления (ОУ) - комплекс элементов системы, включающий в свой состав собственно объект, измерительные и исполнительные устройства. Эта часть САУ обычно проектируется и комплектуется как единое целое и является ее неизменяемой частью. Динамические свойства ОУ (математическая модель) находятся с использованием известных физических законов. |
|
| Рис. 9.4 – Структурная схема устройства воздействия: ИУ – исполнительное устройство (реле МП, ЭД); РУ – регулирующее устройство (насос, электромагнитный клапан) |
3. Принципиальной схемой САУ называют схему с детальным изображением электрических, электронных, электромеханических и других элементов, входящих в САУ. Принципиальная схема позволяет определить наличие, расположение, степень значимости элементов и все связи между ними. Она предназначена для разработки, изготовления и ремонта САУ.
9.2 Направления автоматизации ТП пищевых
производств
Автоматизация производства является одной из основных составляющих ускорения научно-технического прогресса пищевой промышленности. Конец XX века характеризуется стремительным развитием автоматизации этой отрасли совместно с активным развитием ее технических средств.
Микропроцессорные средства, связанные между собой вычислительными управляющими сетями с использованием общих баз данных, позволяют внедрять компьютерные технологии в нетрадиционные сферы деятельности предприятий пищевой промышленности, что проявляется интеграцией управления производственными процессами.
В современной автоматике различают автоматизированные системы управления производством (АСУП) и автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП).
АСУП – это человеко-машинная система (ЧМС), обеспечивающая автоматизированный сбор, обработку и хранение информации, необходимой для оптимизации управления предприятием, отраслью и т. д.
АСУТП – система, состоящая из персонала и комплекса средств автоматизации его деятельности, реализующая функции управления технологическим процессом с использованием информационных технологий. АСУТП – это также ЧМС, обеспечивающая автоматизированный сбор, хранение и обработку информации о ходе ТП, выдачу управляющих воздействий на ТП в соответствии с принятыми критериями управления. АСУТП может охватывать цеха, хранилища сырья, склады готовой продукции или предприятие в целом.
Автоматическая СУТП – это совокупность управляющих устройств и ОУ, функционирующая без участия человека.
9.3 Классификация автоматических средств управления
Автоматические системы управления (АСУ) и автома-тические системы регулирования (САР) классифицируют по различным признакам.
1. По характеру использования информации (наличию или отсутствию ОС): разомкнутые с жесткой программой управления;
разомкнутые с управлением по возмущению; замкнутые (с ОС).
2. По методу управления: неприспосабливающиеся (стабилизирующие, программные, следящие); приспосабливающиеся или адаптивные (самонастраивающиеся, т. к. изменяется алгоритм их функционирования).
3. По результатам работы в установившемся режиме: статические; астатические.
4. По характеру воздействия: непрерывные (аналоговые);
дискретные (релейные, импульсные, цифровые).
5. По числу управляемых величин: одномерные; многомерные (многосвязные).
6. По виду дифференциального уравнения, описывающего АСУ:
линейные; нелинейные.
9.4 Технические средства для построения систем