Классификация локальных систем автоматики

По своему назначению и выполняемым функциям локальные системы автоматики в настоящее время принято разделять на четыре основные
группы:

– промышленные системы регулирования;

– следящие системы;

– системы программного управления;

– системы автоматического контроля.

1.2.1. Промышленные системы регулирования.К ним относятся системы автоматического регулирования различных физических величин и технологических переменных в промышленных объектах и установках: температуры, давления, уровня, расхода, концентрации, величины и скорости перемещения и др.

В промышленных объектах и установках требуется регулировать порядка тысячи различных физических, химических и других величин и технологических переменных. При таком количестве регулируемых переменных создавать индивидуальные системы регулирования для каждого объекта затруднительно и экономически нецелесообразно. Поэтому для создания систем регулирования были разработаны и серийно выпускаются промышленностью унифицированные приборы и устройства, относящиеся к системе ГСП (государственная система промышленных приборов и средств автоматизации) [9]. Особенностью приборов системы ГСП является унификация и нормализация приборов, обеспечивающая их информационную, конструктивную, функциональную, метрологическую и эксплуатационную совместимость. Это позволяет, имея ограниченное количество типовых блоков, создавать различные системы регулирования путем агрегатирования соответствующих блоков и устройств, используя блочно–модульный принцип построения.

Укрупненная функциональная схема промышленной системы регулирования изображена на рис. 1.2.

Объектом регулирования в промышленной системе является технологическая установка (турбина, котел, емкость и т.п.), в которой регулируется физическая величина Y (давление, скорость, температура, уровень и т.д.). На объект действуют внешние возмущения , приводящие к изменению регулируемой переменной Y. Регулирование объектом осуществляется путем изменения управляющего сигнала U, изменяющего количество вещества или энергии, поступающей на объект.

Рис. 1.2

Регулируемая переменная Y измеряется датчиком обратной связи – ДОС и преобразуется в нормированный выходной сигнал Y_oc, который в сравнивающем устройстве сравнивается с нормированным сигналом задания g, формируемым задающим устройством ЗУ, или системой управления вышестоящего уровня. Сигнал отклонения (ошибки) ε поступает на регулятор, который формирует управляющее воздействие U. В состав регулятора входит большое число различных блоков и устройств, обеспечивающих требуемое преобразование сигналов. Это исполнительное устройство (исполнительный двигатель или исполнительный механизм) с регулирующим устройством (клапан, задвижка, заслонка, вентиль и др.); усилитель мощности; модуляторы; демодуляторы; динамические преобразователи (интеграторы, дифференциаторы), формирующие требуемый закон регулирования; нелинейные преобразователи; корректирующие устройства и др.

В промышленных системах регулирования различными объектами разными будут регулируемая величина, датчик обратной связи и регулирующее устройство. Все остальные блоки регулятора имеют унифицированные внешние связи и работают с унифицированными сигналами, что позволяет с их помощью реализовывать регуляторы в самых различных промышленных системах регулирования.

1.2.2. Следящие системы. Следящей системой называется замкнутая система автоматического регулирования, предназначенная для отслеживания управляющего сигнала, изменяющегося по заранее неизвестному закону. Назначение следящей системы – обеспечить изменение регулируемой переменной в соответствии с законом изменения задающего сигнала.

В принципе, следящей системой может быть любая система автоматического регулирования, если задающий сигнал в ней будет изменяться по заранее неизвестному закону.

В практике же автоматического регулирования под следящими системами понимают электромеханические системы регулирования линейных или угловых перемещений. Объектом регулирования в таких системах является исполнительный двигатель с нагрузкой, которой является перемещаемая масса или приводимый в движение механизм.

Типовыми примерами следящих систем могут быть:

– электроприводы станков (приводы главного движения, приводы подач и др.);

– электроприводы координат (степеней подвижности) промышленных роботов;

– электроприводы антенн радиолокационных станций;

– системы наведения (артиллерийских установок, телескопов и др.);

– системы слежения за трассой транспортного робота.

Упрощенная функциональная схема следящей системы изображена на рис. 1.3.

Рис. 1.3

Сравнивающим устройством в следящих системах обычно является датчик рассогласования, сравнивающий две одинаковые физические величины (например, угол поворота командной оси g и угол поворота нагрузки y) и преобразующий результат сравнения в электрический сигнал ε. В качестве датчиков широко используются сельсины, вращающиеся трансформаторы, потенциометры и другие. Сигнал рассогласования, усиленный предварительным усилителем–преобразователем (У–П) и усилителем мощности (УМ) управляет исполнительным двигателем (ИД), который через механическую передачу (редуктор) поворачивает нагрузку, стремясь уменьшить рассогласование.

В следящих системах обратная связь не всегда бывает единичной, а функции устройства сравнения не всегда выполняет датчик рассогласования. В общем случае в функциональной схеме следящей системы присутствует датчик обратной связи, преобразующий выходной сигнал Y в сигнал, аналогичный сигналу задания. Так в микропроцессорных системах управления степенями подвижности промышленного робота сигналом задания является цифровой код. Соответственно в обратной связи системы будет датчик обратной связи (рис. 1.4), преобразующий угол поворота y в цифровой код. Сравнивающее устройство в данном случае будет цифровым, а усилительно–преобразовательное устройство будет содержать цифроаналоговый преобразователь кода рассогласования ε в аналоговый сигнал управления усилителем мощности.

Рис. 1.4

1.2.3. Системы программного управления. В настоящее время системы программного управления является наиболее распространенными автоматическими системами. В принципе система программного управления получается из автоматической или следящей системы, если в ней задающее воздействие изменять по заданной программе.

Функциональную схему системы программного управления можно представить в виде двух составных частей (рис. 1.5):

– программного устройства;

– автоматической (следящей) системы.

Программное устройство в большинстве случаев реализуется в цифровой форме. Исполнительная (силовая) часть представляет собой систему автоматического регулирования или следящую систему.

Рис. 1.5

По способу задания программы системы программного управления можно разделить на несколько групп:

– с заданием программы в функции времени;

– с заданием программы в функции положения, называются цикловыми или системами с управлением по упорам;

– с заданием программы в функции перемещения, называются позиционными;

– с заданием программы в функции перемещения и его производных (скорости, ускорения), называются контурными;

– с комбинированным способом задания программы, называются системами программно–логического управления.

1.2.4. Системы автоматического контроля. Системы автоматического контроля начали развиваться и выделились в отдельный класс в последнее время в связи с развитием автоматических производств, реализующих «безлюдную» технологию производства. С внедрением ГАП в широком масштабе возникает необходимость быстрого и эффективного решения задач автоматизации контроля на всех стадиях технологического процесса, начиная с контроля заготовок, исправности оборудования и инструмента до выходного контроля всех параметров, определяющих качество выпускаемой продукции.

Системы автоматического контроля должны обеспечивать:

– предварительный контроль (контроль исправности оборудования, инструмента, заготовок);

– текущий (оперативный) автоматический контроль в ходе технологического процесса (контроль качества и чистоты обработки, режимов резания, текущих геометрических форм и размеров, целостность и степень износа инструмента и др.);

– выходной контроль, в процессе которого контролируются все параметры изделий, определяющие их качество (геометрические размеры, чистота поверхностей, допуски и т.д.).

Поскольку в ГАП предполагается повсеместная замена ручного труда операциями, выполняемыми различными автоматическими устройствами и роботами, функции контроля также автоматизируются. Создаются автоматические контрольно измерительные системы с использованием сенсорных устройств и систем распознавания образов (технического зрения).

В настоящее время в создании систем автоматического контроля типовые решения и структура пока не разработаны. Разрабатываются и создаются системы контроля для отдельных технологических модулей и установок.

В перспективе системы контроля будут развиваться по пути создания кибернетических самообучающихся предсказывающих и прогнозирующих систем, использующих специализированные контроллеры и математические методы исследования ситуаций, эвристики, распознавания образов и т.д.

1.3. Основные требования, предъявляемые к автоматическим
системам

При проектировании автоматических систем разработчику необходимо учитывать ряд требований, многие из которых являются противоречивыми. В зависимости от назначения системы, выполняемых ею функций и условий эксплуатации одни требования могут быть доминирующими, наиболее существенными, в то время как другие не накладывают жестких ограничений. В связи с этим задача проектирования автоматической системы заключается в том, чтобы найти разумный компромисс между стремлением получить высокое качество работы и достигнуть этого простыми техническими средствами при минимальных затратах.

Весь комплекс требований, предъявляемых к автоматическим системам, можно разделить на несколько групп.

К первой группе следует отнести требования к точности и динамическим свойствам системы (устойчивости и качеству работы в переходных режимах). Требования этой группы должны удовлетворяться во всех системах, независимо от назначения и выполняемых ими функций.

Точность определяется ошибкой воспроизведения задающего сигнала и зависит как от вида сигнала и возмущений, действующих на систему, так и от погрешностей элементов системы. Составляющая ошибки, обусловленная действием сигналов, может быть уменьшена или компенсирована выбором соответствующего порядка астатизма системы и коэффициента усиления. Инструментальная же ошибка, обусловленная погрешностями элементов системы, в дальнейшем корректироваться не может и должна учитываться на этапе выбора элементной базы.

Устойчивость системы определяет ее способность в свободном состоянии (при отсутствии внешних воздействий) стремиться к установившемуся состоянию. Устойчивость является необходимым условием работоспособности. Неустойчивые системы неработоспособны. Степень устойчивости определяется запасами устойчивости по модулю и фазе, которые для большинства систем лежат в пределах 6…12 дБ и 30…70 градусов, соответственно.

Динамические свойства систем определяются характером переходного процесса (не колебательный или колебательный) и его параметрами: временем переходного процесса, максимальным перерегулированием, числом колебаний, степенью затухания.

Для удовлетворительной работы систем максимальное перерегулирование не должно превышать 45…50 %, а лучше – 5 %. Для ряда систем колебательность и перерегулирование в переходном процессе вообще недопустимы.

При расчете систем частотными методами динамические свойства систем удобно оценивать показателем колебательности М, который характеризует резонансные свойства системы и определяется максимальным значением АЧХ замкнутой системы. Лучше, если резонансных пиков нет вообще, т.е. М= 1. Для удовлетворительной работы систем он не должен превышать значение М ≤ 1,7.

Время переходного процесса в зависимости от инерционности объекта и скорости изменения сигналов для различных систем может колебаться в широких пределах от долей секунды до десятков минут и более.

Совокупность требований к динамическим свойствам системы называют показателями качества регулирования.

Вторую группу требований составляют эксплуатационные требования. Они определяются назначением системы и условиями ее работы. К ним относятся климатические требования (температура, влажность, атмосферное давление), агрессивность окружающей среды, наличие вибраций и требования, налагаемые назначением и условиями работы, согласно которым все системы можно разделить на наземные стационарные и подвижные, корабельные, бортовые и промышленные. Эта группа требований наиболее существенна для подвижных систем – наземных, корабельных и особенно бортовых, установленных на летательных аппаратах. Существенными для них являются и требования к надежности, механической прочности их массе и габаритным показателям.

Третью группу составляют требования к массе и габаритам системы, потребляемой мощности, КПД, требования к источникам питания, виду энергии и стабильности параметров. Эти требования наряду с эксплуатационными имеют решающее значение при выборе элементной базы.

Четвертую группу требований могут составлять требования к технологичности и простоте изготовления и настройки, необходимости использования типовых унифицированных элементов и узлов, долговечности в работе, малой стоимости.

Помимо этих требований разработчику необходимо учитывать и ряд других, таких как надежность, ресурс работы, ремонтопригодность, простота обслуживания, периодичность профилактики и настройки, использование унифицированных элементов и узлов, стоимость и др.

Многие требования являются противоречивыми и задача разработчика принять обоснованное компромиссное решение, позволяющее максимально удовлетворить заданным требованиям при минимальных затратах на изготовление и эксплуатацию системы.

1.4. Порядок разработки и основные этапы проектирования
автоматических систем

Проектирование систем автоматического управления является сложной инженерной задачей, не имеющей однозначного решения. В связи с этим невозможно дать универсальную методику их проектирования. Процесс проектирования обычно делят на две части: эскизное (системное) проектирование и конструкторское проектирование с детализацией всех элементов.

С развитием систем автоматизированного проектирования и тенденцией использования все более сложных агрегатов, имеющих собственные средства для первоначальной наладки и настройки режимов работы, акценты проектирования смещаются. Так процесс конструкторского проектирования порой удается свести к автоматической конфигурации системы из набора унифицированных агрегатов с автоматической разработкой всех принципиальных и монтажных схем.

Весь процесс проектирования можно разделить на следующие основные этапы:

1. Составление технического задания (ТЗ) и технико–экономическое обоснование требований к ней.

В ТЗ указывается объект управления, режимы его работы, условия эксплуатации, цели создания проектируемой системы и задачи, решаемые
ею, основные требования, предъявляемые к системе такие, как точность, устойчивость, динамические свойства. ТЗ разрабатывается заказчиком (кому нужна разрабатываемая система) желательно совместно с исполнителем (разработчиком), так как заказчик не всегда представляет, какой ценой может быть достигнуто выполнение поставленных требований. Утвержденное заказчиком ТЗ с технико–экономическим обоснованием требований и выделенными техническим и финансовым обеспечением являются исходными для проектирования.

2. Анализ объекта управления и эскизная разработка системы.

На этом этапе разработчик подробно изучает объект управления: принцип действия, физические процессы, протекающие в нем, режимы работы, внешние факторы, влияющие на работу объекта и условия его эксплуатации.

Задачей анализа объекта является получение его математической модели, связывающей регулируемые (выходные) переменные с возможными управляющими сигналами и возмущениями. Для этого определяются статические, динамические и информационные характеристики объекта, анализируются возможные способы управления, в соответствии с которыми разрабатывается принцип построения системы и ее функциональная (блочная) схема.

3. Выбор основных функциональных элементов.

На этом этапе в соответствии с разработанной функциональной схемой производят выбор основных функциональных элементов системы: датчиков, исполнительных и регулирующих устройств, усилительно–преобразова–тельных элементов, источников питания. Выписывают типы элементов, их технические данные, фирмы изготовителей.

4. Определение математических моделей элементов.

На этом этапе изучают статистические и динамические характеристики объекта и элементов системы, определяются их математические модели, производится предварительная линеаризация полученных моделей, вычисляются их параметры (коэффициенты передачи, постоянные времени) При определении математических моделей стремятся получить их в типовой форме (алгебраические или дифференциальные уравнения, передаточные функции), максимально простые, обеспечивающие требуемую точность описания.

5. Построение структурной схемы и статический расчет системы.

По полученным математическим моделям объекта и элементов системы в соответствии с разработанной функциональной схемой составляется структурная схема системы, на которой все элементы системы представляются их математическими моделями. Производится статический расчет, соответствующий установившемуся режиму работы. При этом определяются уровни сигналов на входе и выходе каждого элемента системы, определяются рабочие точки их характеристик и уточняются параметры линеаризации математических моделей в окрестности рабочих точек. Проверяется согласование элементов системы по виду и параметрам сигналов.

6. Динамический расчет системы.

Расчет динамики обычно проводится в два этапа. На первом этапе определяется математическая модель системы, составленной из функционально необходимых элементов; устанавливаются параметры (обычно коэффициент усиления), обеспечивающие требуемую точность, и определяются устойчивость и динамические характеристики или качество работы в переходных режимах по таким показателям, как запасы устойчивости, показатель колебательности, максимальное перерегулирование и время переходного процесса.

Обычно системы, составленные из функционально необходимых элементов, оказываются неустойчивыми или не обеспечивают необходимого качества работы, указанного в техническом задании. В таких случаях на втором этапе расчета динамики производят синтез корректирующих устройств, включение которых в систему позволит получить требуемое качество регулирования. Для этого по заданному качеству регулирования определяют желаемую передаточную функцию системы и производят синтез корректирующих устройств, определяют их передаточные функции и схемные реализации.

Динамический расчет завершается анализом скорректированной системы, который проводится по математической модели исходной системы с учетом реально реализуемых корректирующих устройств.

7. Моделирование системы.

Моделирование системы проводится на цифровых или аналоговых вычислительных машинах. Задачей моделирования является проверка обеспечения работоспособности и заданного качества регулирования при возможном разбросе, в пределах допусков, параметров элементов системы и корректирующих устройств. По результатам моделирования производится доводка и уточнение параметров корректирующих устройств.

8. Макетирование системы.

На этом этапе по полученным при расчетах и моделировании данным создается лабораторный макет системы из реальных физических элементов, и проводятся его экспериментальные исследования и доводка.

Это позволяет уточнить принципиальные схемы и параметры корректирующих устройств и элементов системы, так как при определении математических моделей объекта и элементов системы пользуются упрощенными линеаризованными моделями, не учитывающим многие факторы, влияющие на работу, как отдельных элементов, так и всей системы в целом (наличие зон нечувствительности, нелинейность характеристик, насыщение и др.).

9. Разработка технической документации и изготовление опытного
образца.

После экспериментальных исследований и доводки макета системы по полученным уточненным данным составляется техническая документация на изготовление системы. Составляются описание, принципиальные и монтажные схемы отдельных элементов и всей системы, производится конструкторская разработка, и составляются технологические карты на изготовление. По разработанной документации создается опытный образец, и производятся его производственные испытания, в процессе которых проверяется, удовлетворяет ли он требованиям технического задания.

Если в процессе испытаний отдельные требования ТЗ не удовлетворяются, то производится дальнейшая доработка и доводка системы. Процесс проектирования заканчивается, когда образец удовлетворяет всем требованиям технического задания.

10. Приемо-сдаточные испытания и передача в эксплуатацию.

Завершающим этапом разработки являются приемо-сдаточные испытания. Создается межведомственная комиссия (МВК), которая производит испытание созданной системы на соответствие всем требованиям, указанным в техническом задании. По результатам испытаний составляется акт приемки, и разработанная система передается в эксплуатацию.

11. Авторский надзор эксплуатации системы.