Контроль, управление и регулирование

Автоматизация производства и работы строительных машин развивается в направлениях автоматизации контроля, управления и регулирования.

Автоматический контроль – это контроль с помощью датчиков и преобразователей характеристик управляемого объекта. Системы автоматического контроля (САК) осуществляют восприятие информации о состоянии объекта и ее преобразование к виду, удобному для дальнейшей обработки.

Автоматическое управление – это совокупность воздействий, направленных на функционирование управляемого объекта в соответствии с заданным алгоритмом управления. Такое управление осуществляется системой автоматического управления (САУ), которая управляет объектом с помощью устройств измерения, управления и защиты без участия технического оператора.

Автоматическое регулирование – это поддержание постоянного или изменение по заданному закону выходного параметра, характеризующего процесс. Устройства, обеспечивающие такое регулирование, называют системой автоматического регулирования (САР). Различают следующие системы автоматического регулирования:

1) стабилизирующая – поддерживает постоянное значение регулируемого параметра (например, стабилизация толщины срезаемой стружки грунта путем регулирования скорости напорного механизма одноковшового экскаватора);

2) логико-программная – задает требуемую последовательность рабочих операций управляемого объекта по заданной программе (например, автоматизация поточно-транспортных систем, состоящих из ряда ленточных или винтовых конвейеров);

3) следящая – содержит предписание изменения регулируемого выходного параметра в зависимости от изменения известного входного параметра (например, универсальные следящие системы контроля положения строительных машин в пространстве по копиру или лазерному лучу);

4) самонастраивающаяся (адаптивная) – определяет такое значение регулируемого параметра, которое обеспечивает оптимальный режим работы управляемого объекта.

Автоматические устройства, устанавливаемые на машинах (таблица 7.1), позволяют при выполнении функций управления стабилизировать положение рабочего органа в пространстве или перемещение его по заданной программе, обеспечивать максимальную производительность машины и движение ее по заданному курсу, защищать от перегрузок различные узлы, обеспечивать охрану труда машиниста, контролировать работу отдельных узлов и вести учет производительности машин.

В настоящее время для строительных машин разработаны следующие системы и средства автоматизации:

1) устройства автоматического контроля технического состояния и работоспособности основных узлов машины;

2) системы оптимизации нагрузок на рабочие органы и перемещений элементов машины;

3) копирные, в том числе лазерные, системы;

4) следящие имитационные системы;

5) микропроцессорные ограничители грузоподъемности и системы контроля глубины копания;

6) системы контроля плотности грунта.

В последние годы промышленность СНГ освоила выпуск систем автоматического управления для автогрейдеров, скреперов, бульдозеров и асфальтоукладчиков, обеспечивающих высокое качество планировочных и других работ, а также рост производительности труда. Например, ВНИИСтройДорМашем разработан набор унифицированных приборов регулирования и управления машинами, входящими в ряд агрегатированных комплексов автоматической аппаратуры (АКА). В частности, автоматизация контроля безопасности работы кранов и погрузчиков, ограничение их грузоподъемности, применение дистанционного и автоматического управления осуществляются системой "АКА – Кран"; автоматическое управление перемещением, взвешиванием, перемешиванием, контролем за работой и порционной выдачей материалов асфальто- и цементосмесительными установками всех типов и назначений – системой "АКА – Бетон"; автоматическое саморегулирование рабочих органов, элементов управления и контроля дорожно-строительных и аэродромных машин при выполнении земляных работ и укладке покрытий – системой "АКА – Дормаш", в комплект которой входят системы:

1) "Автоплан" – для бульдозеров;

2) "Профиль" – для автогрейдеров;

3) "Стабилослой" – для различных укладочных машин.

Системы автоматического управления по положению рабочего органа машин разделяют на одно-, двух- и трехканальные. При одноканальных системах рабочий орган машин удерживается в заданном положении в одной плоскости: продольной – у бульдозеров, поперечной – у автогрейдеров. К таким системам относятся "Автоплан-1" и "Автоплан-10" – для бульдозеров, "Профиль-1" и "Профиль-10" – для легких и средних грейдеров.

При двухканальных системах управления стабилизация положения рабочего органа обеспечивается одновременно в продольной и поперечной плоскостях. К этим системам относятся "Комбиплан" – для бульдозеров, "Профиль-2" и "Профиль-20" – для средних и тяжелых автогрейдеров, "Стабилослой-10" и "Стабилослой-20" – для укладчиков покрытий.

При трехканальных системах управления, помимо фиксации положения рабочего органа в двух ортогональных вертикальных плоскостях, имеется еще и управление движением машины в плане ("по курсу").

Копирные следящие системы, использующие внешний копир – проволоку (тросик), имеют недостатки, связанные с погрешностями копирно-щуповой системы из-за колебания щупа, провисания тросика, а также ошибок при его установке.

Наиболее эффективными являются лазерные системы управления. В них широко применяются элементы микроэлектроники, интегральные схемы, микропроцессоры, логические запоминающие и вычислительные устройства. Такие системы используются для управления машиной или группой машин на значительных площадях и расстояниях (до 1500 м) при достаточно высоких скоростях движения. Их применение для укладочных машин обеспечивает как раздельное, так и одновременное управление курсом машины и толщиной укладываемого слоя материала (бетон, асфальт), а также автоматическую ориентацию рабочих органов в пространстве.

В качестве примера можно также назвать использование лазерных приборов в управлении рабочим органом бульдозера в системе "Комбиплан-10ЛП".

САУ (САР) могут быть построены с использованием следующих принципов:

- управление по разомкнутому циклу;

- управление по замкнутому циклу;

- комбинированное управление.

В разомкнутых системах (рисунок 7.1, а) управляющее воздействие задается без учета выходного значения управляемой величины. Такое управление называют жестким, без обратной связи. Разомкнутые системы используют для дистанционного управления. В такой системе задающий сигнал Х поступает в управляющее устройство УУ, из которого сигнал управляющего воздействия УВ направляется к объекту управления ОУ для получения выходных координат Y с учетом возможного воздействия сторонних помех F.

Рисунок 7.1 – Управление по разомкнутому (а), замкнутому (б) циклам и по комбинированной схеме (в):

УУ – управляющее устройство; УВ – управляющее воздействие; X – задающее воздействие; Y – выходные управляемые величины; F – помехи

В замкнутых системах (рисунок 7.1, б) управляющее воздействие формируется в зависимости от управляемой величины. В случае отклонения выходного параметра от заданного значения сигнал возвращается объектом управления на управляющее устройство для корректировки. Такие системы работают с изменяемыми структурой и законом управления. Главным элементом замкнутой системы управления является звено обратной связи, с помощью которого формируется управляющее воздействие. Существует два вида обратной связи: главная, которая соединяет выход системы с ее входом, и местная (внутренняя), с помощью которой передается воздействие от выхода какого-либо звена на его вход (или на вход одного из предыдущих звеньев). Системы, содержащие только одну главную обратную связь, называют одноконтурными, а содержащие дополнительные местные обратные связи, – многоконтурными.

Комбинированное управление (рисунок 7.1, в) характеризуется наличием в системе обратной связи и резервного управляющего устройства, подключаемого параллельно первому через элемент сравнения (анализатор). Установленные на схемах знаки "плюс" и "минус" характеризуют положительные или отрицательные значения задающего воздействия.

Автоматические системы различают по ряду признаков:

1) по назначению (характеру изменения задающего воздействия) различают системы:

- автоматической стабилизации (задающее воздействие X – постоянная величина);

- программного управления (задающее воздействие X – заранее заданная функция времени);

- следящие (задающее воздействие X заранее не известно);

2) по принципу управления (характеру используемых для управления сигналов):

- непрерывные;

- дискретные;

3) по характеру используемой информации об условиях работы:

- с жесткими законами управления и структурой;

- с изменяемыми структурой и законами управления, к которым относятся системы автоматической настройки, самообучающиеся и самоорганизующиеся системы;

4) по характеру математических соотношений:

- линейные;

- нелинейные;

5) по количеству выходных координат объекта управления:

- одномерные;

- многомерные, которые делятся на системы связанного и несвязанного управления.

В системах связанного управления отдельные управляющие устройства связаны друг с другом внешними связями. Входящую в состав многомерной системы отдельную систему управления называют автономной, если управляемый ею выходной параметр не зависит от значений остальных управляемых параметров.

Элементы САУ (САР) классифицируют по следующим основным признакам:

- функциональному назначению – измерительные, усилительно-преобразовательные, исполнительные, корректирующие;

- виду энергии, используемой для работы, – электрические, механические, гидравлические, пневматические, комбинированные:

- наличию или отсутствию вспомогательного источника энергии – активные, пассивные;

- способу воздействия – прямого и непрямого действия.

Любое автоматическое устройство является достаточно сложной системой. В частности, система автоматического измерения включает датчик (чувствительный элемент и элемент преобразования), усилители, линию связи и измерительный прибор. Для системы автоматического контроля необходимо наличие задающего элемента и элемента сравнения.

Принцип измерения заключается в сравнении измеряемой величины с другой величиной, условно принятой за единицу; различают два вида измерений:

- прямые – определение величины путем непосредственного сравнения этой величины с единицей измерения, например, измерение длины с помощью линейки;

- косвенные – определение измеряемой величины путем вычисления по результатам прямых измерений одной или нескольких величин, связанных с искомой функциональной зависимостью.

Существенную роль в устройствах автоматики играют задающие элементы. Они устанавливают требуемый параметр процесса, закон его изменения или порядок воздействия сигналов. В зависимости от назначения задающие элементы бывают стабилизирующие, программные, следящие и самонастраивающиеся.

Элемент сравнения (нуль-орган) сравнивает воспринятую величину с заданной и выдает их разность, т. е. рассогласование двух сигналов.

Каждый из названных элементов может быть дискретного действия, т. е. сигнал на выходе элемента отсутствует или присутствует (принцип "да – нет"), и аналогового (пропорционального) действия, т. е. величина сигнала на выходе элемента пропорциональна величине сигнала на входе (сигнал может изменяться постепенно от нуля до максимума).

Система автоматического контроля (рисунок 7.2) может быть представлена следующим образом: восприятие информации (например, давление в гидросистеме); преобразование этой информации в удобный для дальнейшего использования сигнал (например, электрический, гидравлический); промежуточное преобразование сигнала (усиление, модуляция); измерительное преобразование (преобразование в воспринимаемый сигнал – визуальный или звуковой); обнаружение признаков контролируемого параметра (давление выше нормы). В соответствии с этой последовательностью прохождения сигнала можно выделить также элементы системы контроля: ЧЭ – чувствительный элемент – восприятие состояния объекта; ПЭ – преобразовательный элемент – преобразование состояния в сигнал; Д – датчик (первичный прибор) – восприятие и преобразование; У – усилитель, модулятор – промежуточное преобразование; ЛС – линия связи – передача и восприятие сигнала на расстоянии; ИП – измерительный прибор (вторичный прибор) – преобразование в сигнал, удобный для получения окончательного результата; ЭС – элемент сравнения – обнаружение признаков контролируемого параметра; ЗЭ – задающий элемент. Элемент сравнения, задающие элементы и приемник сигнала могут быть как в самом измерительном приборе (пунктир на схеме), так и вне его.

Рисунок 7.2 – Структурная схема автоматического контроля