Лекция Тема общие сведения об автоматических системах, функциях и параметрах элементов автоматики
Рубрики: Лекции
План
1. Основные понятия систем автоматизации
2.. Основные виды автоматизации.
3. Классификация систем автоматизации
Литература
1. Бородин И. Ф., Кирилин Н. И. Основы автоматики и автоматизация производственных процессов. М., Колос, 1977. 10-19
2. Автоматика и автоматизация производственных процессов /И. И. Мартыненко, Б. Л. Головинский, Проценко, Т. Ф. Резниченко.-М.: Агропромиздат, 1985.-335 с., ил. — (Учебники и учеб. пособия для высш. с.-х. учеб. заведений).23-29
3. Бабиков М. А., Косинский А. В. Элементы и устройства автоматики. Учеб. пособие для студентов втузов. М., «Высшая школа», 1975 11-24
4. Бохан Н. И., Фурунжиев Р. И. Основы автоматики и микропроцессорной техники: Учеб. Пособие. – Мн.: Ураджай, 1987. – 376 с.
Ключевые понятия и термины: Элемент автоматики, САУ, САР
Для того чтобы машина могла выполнять необходимые операции в технологическом процессе, ею нужно управлять, то есть осуществлять пуск, остановку, изменять режим работы, положение рабочих органов и выполнять другие операции управления и контроля путем воздействия на органы управления машины, механизма. Если управление осуществляется человеком, оно называется ручным, если техническим средством – автоматическим.
Человек, как звено САУ считался до недавнего времени совершенным. Однако, успешное функционирование многих производственных процессов, машин и сложных устройств в настоящее время требует такого быстродействия и точности управления, которые уже не под силу человеку — оператору из за ограниченных его физических возможностей, таких как физическая сила, быстрота реакции, тяжелые окружающие условия, например высокая температура, наличие вредных излучений и т. д. Вот некоторые серьезные причины, характеризующие человека, как слабое звено в системе регулирования.
1. Запаздывание реакции человека в среднем составляет 0,3 с и практически исключает ручное управление в высокоскоростных устройствах. Так при управлении устройством в прокатных станах при скорости выхода проката в 10-30 м/с, время, которое требуется оператору для обнаружения отслоения толщины полосы от заданной, слишком велико, чтобы воздействовать на соответствующие корректирующие устройства.
2. При длительном, даже не очень сложном алгоритме управления, физическая усталость оператора значительно снижает качество работы системы в целом, а часто приводит и к ее отказам в работе.
Для осуществления автоматического управления техническим процессом создается система, включающая управляемый объект и управляющее устройство, или автоматический регулятор, состоящий из средств автоматики и телемеханики.
Основные понятия систем автоматизации
Элементом автоматики называется часть устройства автоматической системы, которая выполняет самостоятельные функции в качественных или количественных преобразований физических величин.
а) б)
а) без возмущающего воздействия; б) с внешним возмущающим воздействием.
Рисунок 1 - Элементы автоматики
Точка автоматической системы или устройства, к которой приложено рассматриваемое воздействие, называется Входом x(t), а та точка, в которой наблюдается эффект, вызванный рассматриваемым воздействием – Выходом y(t). F(t) называется Внешним воздействием т. е. воздействие внешней среды, а под Внутренним понимается воздействие одной части автоматической системы на другую в системе автоматического управления. Возмущающим считают воздействие, которое не предусмотрено алгоритмом управления. На практике возмущающие воздействие ухудшает или нарушает работу системы автоматического управления.
Простые и сложные средства автоматики состоят из отдельных связанных между собой элементов.
Чувствительный элемент, или измерительное устройство, измеряет действительное значение Управляемой величины У (T) и преобразует его в однозначно соответствующую величину У1t, удобную для сравнения с задающей величиной G1(T). Если чувствительный элемент создает электрический или пневматический сигнал, то его называют Первичным преобразователем.
Преобразующий элемент служит для преобразования сигналов в удобный вид и иногда объединяется в одно целое с датчиком или с другим элементом для дальнейшего использования.
Задающий элемент формирует задающее воздействие G(T), которое определяет необходимое значение управляемой величины, и преобразует его в однозначно соответствующую величину G1(T), удобную для сравнения с величиной Y1(T).
В качестве задающего элемента могут использоваться различные кулачковые механизмы, функциональные потенциометры, перфокарты, магнитные пленки, профильные диаграммы и т. п. Иногда задающий элемент конструктивно объединяется в одно целое с измерительным и сравнивающим элементом.
Сравнивающий элемент в наиболее распространенном виде измеряет разность сигналов (ошибку) Х(T)=G1(T) – у1(T). В сравнивающем элементе может происходить и суммирование сигналов. Операции алгебраического суммирования на схемах автоматики обозначаются условными знаками (рис. 1.4). В качестве сравнивающих элементов могут использоваться потенциометры, механические дифференциалы и сельсинные пары в трансформаторном режиме для сравнения угловых перемещений, устройства на резисторах для сравнения и суммирования электрических напряжений, токов и т. п.
Усилительный элемент усиливает сигнал рассогласования Х(T) до величины, достаточной для приведения в действие исполнительного элемента, В усилительном элементе происходит увеличение сигнала за счет получения энергии извне. В системах автоматического управления чаще всего используются электрические (электронные, релейные, электромагнитные, магнитные, полупроводниковые и др.), гидравлические и пневматические усилители. Последние имеют высокие коэффициенты усиления по мощности и выполняют одновременно роль исполнительных элементов (серводвигателей, сервомеханизмов).
Исполнительный элемент вырабатывает и подает на регулирующий орган объекта управления управляющее воздействие И(T). По виду используемой энергии исполнительные элементы разделяют на электрические (электродвигатели постоянного и переменного тока, однооборотные электрические исполнительные механизмы и др.), гидравлические и пневматические (серводвигатели, характеризующиеся большими усилиями, быстродействием и высокой точностью).
Объекты управления – это различные технические устройства, энергетические и силовые установки, транспортные средства, отдельные механизмы устройств и т. д.
Корректирующий элемент, или местная обратная связь,– это специальные устройства, вводимые в систему для улучшения качества управления.
Главная обратная связь – это связь между выходом системы и входом, образующая замкнутый контур управления.
На объект управления кроме управляющих входных воздействий И(T) влияют и различные внешние возмущающие воздействия F(T), или возмущения (рис. 1), вызывающие изменения управляемой, или регулируемой, величины У(T) (выходная величина).
Для борьбы с возмущениями объект снабжается регулирующим органом (РО), воздействуя на который вручную или автоматически, можно изменять управляемую величину, компенсируя нежелательные изменения, вызванные влиянием возмущений.
Возмущающие и задающие воздействия делятся на внешние и внутренние. Внешнее – это воздействие на автоматическую систему внешней среды или устройств, не являющихся частью этой системы. Внутреннее – это воздействие одной части системы на другую.
Управляемым объектом Называют устройство, которое непосредственно осуществляет технологический процесс, нуждающийся в оказании специально организованных воздействий извне для выполнения его алгоритма.
Автоматическое управляющее устройство Осуществляет воздействие на управляемый объект в соответствии с алгоритмом управления
Алгоритм функционирования — это совокупность правил, предписаний или математических зависимостей, определяющих правильное выполнение технологического процесса в каком-либо устройстве. Он составляется на основании технологических, экономических и других требований без учета динамических искажений.
Алгоритм управления — это совокупность, предписаний, определяющих характер управляющих воздействий на объект с целью осуществления им заданного алгоритма функционирования с учетом динамических свойств системы.
Программное управление – это, алгоритм функционирования при котором выходная величина объекта изменяется по заранее заданной программе. Различают системы с временным и пространственным программным управлением (искусственный рассвет, системы с программным управлением).
Представим наиболее общий случай построения систем автоматического управления, содержащий максимум элементов (рис. 1), где ЗЭ – задающий элемент, СЭ – сравнивающий элемент, ЧЭ – измерительный (чувствительный) элемент, ПЭ – преобразующий элемент, УЭ – усилительный элемент, ИЭ – исполнительный элемент, ОУ – объект управления, КУ – местная обратная связь, ГОС – главная обратная связь.
Рисунок 2 - Система автоматического управления в общем виде
Основные виды автоматизации
Рисунок 3 - Основные виды автоматизации
В зависимости от функций, выполняемых специальными автоматическими устройствами, различают следующие основные виды автоматизации:
1. Автоматический контроль, в который, в свою очередь, входят:
А) Автоматическая сигнализация – служит для оповещения персонала о наличии, характере и месте нарушения или достижения предельных значений параметров технологического процесса (ТП). К сигнальным устройствам относятся лампы, звонки, сирены, специальные мнемонические указатели и др.
Б) Автоматическое измерение – позволяет измерять и передавать на специальные приборы значения контролируемых параметров ТП и режимов работы машин и агрегатов.
В) Автоматическая сортировка – осуществляет идентификацию и разделение продукции по физико-механическим признакам: размеру, весу, твердости, зрелости (сортирование зерна, картофеля, арбузов и т. д.).
Г) Автоматический сборИнформации о ходе ТП, видах, количестве и качестве выпускаемой продукции и т. д.
2. Автоматическая защита – это совокупность технических средств, реагирующих на анормальные и аварийные режимы протекания ТП с последующим его отключением, либо прекращением, либо автоматическим устранением неисправностей. Например: релейная защита электрические блокировки и автоблокировки в технологических линиях.
3. Дистанционные управление включает в себя методы и технические средства управления объектами на расстоянии включает в себя комплекс технических средств и методов по управлению объектами без участия.
4. Автоматическое управление включает в себя комплекс технических средств и методов по управлению объектами без участия обслуживающего персонала:
¨ пуск и останов основных установок;
¨ включение и отключение вспомогательных устройств;
¨ обеспечение безаварийной работы;
¨ соблюдение требуемых значений параметров в соответствии с оптимальным ходом технологического процесса.
По Степени автоматизации различают следующие ее виды: частичную, комплексную и полную.
Частичная автоматизация – охват отдельных производственных операций или установок, не освобождая человека от участия в процессе, но облегчая его труд (раздача кормов на ферме).
Комплексная автоматизация – означает автоматическое выполнение всех операций при участии оператора.
Полная автоматизация – в отличие от комплексной без участия человека при выборе и согласовании режимов работы линий. Оператор лишь следит и перестраивает на новые производственные задачи.
САУ называется система, выполняющая некоторую цель при помощи переработки и преобразования доступной ей информации о внутренних и внешних условиях своей работы в вектор 
И обеспечивающая требуемую функциональную связь между вектором И вектором состояния 
.
САР называется система, служащая для обеспечения требуемой функциональной связи между векторами И посредством их сравнения. Согласно этому, САР рассматривается как составная часть более широкого понятия САУ.