СИНТЕЗ ОДНОТАКТНЫХ СИСТЕМ
АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
Методические указания и задания для самостоятельной работы
по курсу «Цифровые устройства систем автоматизации и управления»
Направление 15.03.04
«Автоматизация технологических процессов и производств»
Направление 27.03.04
«Управление в технических системах»
Волгоград 2017
УДК 681.51 (075)
Синтез однотактных систем автоматического управления. Метод. указ. и задания для самостоятельной работы по курсу «Цифровые устройства систем автоматизации и управления». / сост.: Харькин О.С., Барабанов В. Г; ВолгГТУ. – Волгоград, 2017. – 16 с.
Приведены методические рекомендации по выполнению заданий по
синтезу однотактных систем управления технологическим процессом или оборудованием. Приведен пример выполнения задания и варианты заданий.
Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по направлению 15.03.04 – «Автоматизация технологических процессов и производств», 27.03.04 – «Управление в технических системах».
Рецензент Ю.М. Быков
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Волгоградского государственного технического университета.
© Волгоградский государственный
технический университет, 2017
ТРЕБОВАНИЯ К СОДЕРЖАНИЮ И ОФОРМЛЕНИЕ
САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
Для выполнения самостоятельной работы необходимо по заданному в соответствии с вариантом техническому заданию синтезировать однотактную систему автоматического управления (САУ) конкретным технологическим процессом или оборудованием. К однотактным относятся устройства, в которых комбинация выходных сигналов в любой промежуток времени (в любом такте) однозначно определяется сигналом или комбинацией сигналов, поступающих на вход в течение этого промежутка времени (такта), и не зависит от сигнала или комбинации сигналов, поступивших на вход в предыдущие промежутки времени (такты). Правильно спроектированное САУ можно рассматривать как логическое устройство, реализующее логическую связь (соотношение) между входами и выходами. Поэтому процесс построения такой САУ или устройства принято называть логическим или структурным синтезом.
Содержание работы
Работа выполняется в виде расчетно-пояснительной записки, которая должна содержать: текст задания, схему объекта автоматизации, таблицы состояния, описание минимизации функций, структурную схему логической системы управления. Титульный лист работы оформляется в соответствии с примером, приведенным в приложении 2.
Объем записки 3-4 страниц формата А4.
Проектирование однотактной САУ ведется в следующем порядке:
- на основании задания составляется формализованное описание (алгоритм) функционирования проектируемой САУ;
- принимается технологическая схема объекта автоматизации и определяется количество входов и выходов в синтезируемой САУ;
- в соответствии с алгоритмом функционирования САУ, количеством входов и выходов в ней, а также принятым методом синтеза составляются таблица состояния (истинности) для всех входов и выходов, по которой выписываются логические функции управления для всех выходов;
- выполняется минимизация полученных функций (рекомендуется применять метод карт Карно);
- по минимизированным логическим функциям строится структурная схема однотактной САУ.
.
Оформление работы
Работа оформляется на белой бумаге формата А4 (210х297) и должна начинаться с титульного листа.
При оформлении работы следует руководствоваться ГОСТ 2.105-95 «ЕСКД. Общие требования к текстовым документам». Допускается для оформления работы использовать средства вычислительной техники.
1.3 Выбор варианта задания
Варианты двадцати пяти заданий приведены в приложении 1 в виде текстового описания САУ, которую необходимо синтезировать. Студент выбирает вариант задания в соответствии с порядковым номером в списке группы. Допускается выдача варианта задания, а также замена варианта задания преподавателем.
ПРИМЕР СИНТЕЗА ОДНОТАКТНОЙ СИСТЕМЫУПРАВЛЕНИЯ
Синтезировать САУ устройством для сортировки деталей по их конфигурации. САУ должна обеспечивать определение (распознавание) шести типов деталей по их конфигурации (отличительным признакам) и выдавать соответствующий сигнал на сортировку. Детали, подлежащие сортировке, приведены на рисунке 1. Они соизмеримы между собой и могут быть вписаны в квадрат, их центральные отверстия совпадают. Треугольники могут поступать на рабочую позицию в четырех устойчивых положениях. Остальные детали поступают в одном устойчивом положении. Рабочей позицией является контрольная маска – устройство, состоящее из набора датчиков, имеющих строго фиксированное положение. В данном устройстве могут быть применены бесконтактные фотоэлектрические или пневматические датчики, позволяющие контролировать наличие отличительных элементов детали.
Составление формализованного описания позволяет упростить текст технического задания, сделать его ясным и понятным для синтеза САУ. Если в техническом задании отсутствуют какие-либо специальные и дополнительные условия, непосредственно не связанные с САУ (например, точностного характера), то формализованное описание можно не составлять.
Количество выходов (выходных сигналов) в синтезируемой САУ – шесть, т.е. соответствует количеству типов сортируемых деталей, для них примем следующие обозначения F, H, N, P, R, S, совпадающие с их порядковым расположением на рисунке 1. Количество входов, если оно не оговорено в техническом задании, первоначально принимается экспертно таким, чтобы комбинация из их сигналов позволила определить тип любой детали. Количество датчиков может быть принято с запасом, и затем минимально необходимое количество входов определяется в процессе синтеза САУ. Как видно по технологической схеме рабочей позиции (рисунок 2), число датчиков (входов), которое позволяет гарантировано определять конфигурацию всех шести деталей, составляет пять. Входные переменные (сигналы от датчиков) обозначим: a, b, c, d, e.
Примем условие, что если деталь перекрывает датчик, то сигнал подается и переменная поступает на вход САУ без инверсии, если не перекрывает, то сигнал не подается и на вход САУ поступает инверсная переменная.
Таблица состояний однотактной САУ с количеством входов n и выходов Р содержит n+P столбцов и 2n строк. В столбцы для выходов записываются состояния выходов, соответствующие комбинации входных переменных и заданному условию функционирования устройства в данной строке. Таблица состояний может быть полной и неполной. Полная таблица заполняется полностью или частично, иногда перечисляются состояния, соответствующие входной функции (комбинации переменных), равной 1 (0), вместе с утверждением, что для всех других состояний выходная переменная равна 0 (1). Неполная таблица характеризуется тем, что в ней содержатся одно или несколько состояний, для которых выход не определен. Такие состояния называются неиспользованными или условными и могут возникнуть, когда соответствующее состояние входов не может иметь места или когда проектировщика не интересует, что произойдет, если это состояние входов будет иметь место. Наличие неиспользованных (условных) состояний, отмечаемых в таблицах и в картах Карно плюсами, позволяет упростить структуру синтезируемой САУ за счет использования при минимизации в качестве условных 1, причем условные единицы можно включать в любые контуры карт Карно (таблица 1 и рисунок 3). Таблица 1 для рассматриваемого примера является неполной. Она позволяет составить следующие логические функции, определяющие тип шести деталей: 
;
;
;
;
;
.
Полученные таким образом функции нуждаются в упрощении одним из известных методов.
Минимизация данных логических функций посредством карт Карно (рисунок 3) позволяет получить следующие минимальные комбинации входных переменных:
Для детали 1 - 
;
Для детали 2 - 
;
Для детали 3 - 
Для детали 4 - 
;
Для детали 5 - 
;
Для детали 6 – 
Побочные функции:
;
.
Для составления схем управления используем только одну из двух групп переменных, полученных в результате минимизации, каждая из которых обеспечивает возможность сортировки шести деталей. При этом побочные функции S n и N n не используются.
Схема управления устройством для сортировки шести деталей по их конфигурации при трех входных сигналах а, с, е приведена на рисунке 4. Схема, выполненная для входных сигналов b, d, e, будет аналогичной как по структуре, так и по функциональным возможностям.