Системы автоматического управления.

Действия, непосредственно необходимые для выполнения не­которого процесса, называют рабочими операциями. Для правиль­ного и качественного выполнения рабочих операций их необходимо сопровождать операциями управления, которые обеспечи­вают в нужные моменты начало, порядок следования и прекра­щение отдельных рабочих операций, задают правильные параметры процесса (например, направление и скорость перемещения инстру­мента), обеспечивают выполнение вспомогательных операций и т.д.

Управляющие операции образуют процесс управления.

Замену труда человека в операциях управления работой авто­матов называют автоматизацией управления, а технические уст­ройства, выполняющие операции управления, — автоматическими устройствами или средствами управления.

Весь комплекс тех­нических средств (машин, станков, орудий труда), выполняющих данный технологический процесс, с точки зрения управления называется объектом управления. Совокупность средств управления и объекта управления — это система управления.

Система, в которой автоматизирована только часть операций, а другая их часть выполняется людьми, называется автоматизи­рованной системой.

Система, в которой все рабочие и управляющие операции вы­полняют автоматические устройства без участия человека назы­вается автоматической системой.

В зависимости от назначения различают следующие автомати­ческие системы:

• сигнализации, предназначенные для извещения обслуживающего персонала о состоянии той или иной технической установки, о протекании того или иного процесса;

• контроля без участия человека за различными параметрами и величинами, характеризующими работу какого-либо технического агрегата, или протеканием какого-либо процесса;

• блокировки и защиты для предотвращения аварийных ситуа­ций в технических установках;

• пуска и остановки для включения, остановки и реверса различных двигателей и приводов по заданной программе;

• управления различными процессами или работой технических агрегатов.

Важнейшими и наиболее сложными являются системы управления. Существует много признаков и классификаций систем ав­томатического управления; рассмотрим некоторые из них.

Системы можно разбить на две группы по способности ре­агировать на изменение условий, в которых должно произво­диться управление (температуры окружающей среды, напря­жения в электросети, коэффициента трения в узлах объекта, износа резца при обработке).

В системах первой группы ис­пользуется принцип разомкнутого управления, когда требуемый закон изменения регулируемой величины обеспечивается непо­средственно преобразованием сигнала от задающего устройства (рис. 3.1, а), а алгоритм управления не учитывает возмущающих воздействий на объект или изменения параметров самого объекта. Сигнал от задатчика ЗУ через регулятор Р и усили­тель У поступает на регулирующий орган РО, воздействующий на объект управления ОУ. Так как всегда есть вероятность нео­жиданного изменения характеристик объекта или элементов си­стемы, точность таких систем определяется стабильностью со­ставляющих элементов.

На рис. 3.1, б приведена структурная схема системы с ЧПУ станка с приводом на базе шагового двигателя. По командам уп­равляющей программы УП устройство ЧПУ (УЧПУ) выдает им­пульсы, вызывающие поворот ротора шагового двигателя ШД на некоторый угол. Гидроусилитель ГУ воспроизводит поворот рото­ра, но с большей мощностью, привод подач станка ПП переме­щает режущий инструмент И, который воздействует на заготовку 3. При работе системы не контролируется истинное положение рабочего органа, что упрощает систему, но снижает точность обработки. Схема имеет вид разомкнутой цепочки, что и определи­ло название принципа.

Эти системы обладают предельным быстродействием, просты в изготовлении и эксплуатации, дешевы и надежны, поэтому ши­роко распространены.

Разомкнутое управление типично для систем дискретного дей­ствия типа переключателей и их комбинаций (реле, логические элементы И, ИЛИ, НЕ). Такой сложнейший аппарат, как совре­менная ЭВМ, работает по этому принципу: по командам про­граммы данные из памяти поступают в процессор и обрабатыва­ются в нем, результат передается обратно в память. Конечно, предусмотрен контроль правильности работы ЭВМ, но в случае сбоя выдается только сигнал остановки работы, как и в простейших устройствах автоматики.

Ко второй группе относятся системы, способные настра­иваться на условия функционирования системы. Системы, осно­ванные на принципе компенсации (или управлении по возмущению), контролируют возмущающие факторы и вносят коррективы в ал­горитм управления (рис. 3.1, в). Следует подчеркнуть, что компен­сировать можно только измеряемые возмущения. Сигнал от дат­чика, замеряющего возмущающий

фактор 2, поступает на регу­лятор и корректирует управляющее воздействие таким образом, что влияние возмущения на объект управления компенсируется изменением управления.

а

б

в

е

Рис. 3.1. Структура систем управления:

а — разомкнутая система; б — система с ЧПУ на базе шагового электродвигателя;

в — система компенсации; г — система с ЧПУ с учетом износа инструмента; д —

система с ООС; е — система с ЧПУ на базе электродвигателя постоянного тока;

ж — адаптивная система с ЧПУ

Управление по возмущению нашло широкое применение в тех­нике. Например, в

хронометре используется биметаллическая пла­стина для компенсации температурного влияния, в схеме звуко­вого усилителя низкой частоты применяется термосопротивление для обеспечения нормального режима работы полупроводников. Этот же принцип используется при автоматической коррекции настройки станка на размер по результатам замера износа инстру­мента (рис. 3.1, г).

Системы, работающие по принципу компенсации, просты, об­ладают высоким быстродействием, реагируют на некоторые воз­мущения. Однако их гибкость также невелика: они реагируют только на те возмущения, учет которых предусмотрен конструкцией си­стемы.

Гидро­усилитель представляет собой простейшую следящую систему, так как перемещение поршня происходит по произвольному закону, который воспроизводится силовым поршнем. Отличие от предыдущего регулятора состоит именно в произвольности управляющего воз­действия u(f). Такие автоматические системы принято называть системами автоматического управления - в отличие от систем стабилизации (ω= const), поддерживающих регулируемую величину на постоянном уровне.

Системы автоматического регулирования контролируют состо­яние регулируемого объекта и формируют управляющее воздей­ствие по результатам сравнения требуемого Хз и реального Х зна­чений регулируемого параметра (рис. 3.1, д).

Термин "система автоматического регулирования" яв­ляется менее общим и относится к системам с постоянным управляющим воздействием u(t) = const. Если функция u(t) заранее зада­на, то автоматическую систему называют сис­темой с программным управлением (например, станок с программным числовым управлени­ем).

На рис. 3.1, е приведена структурная схема замкнутой системы с ЧПУ с приводом на базе электродвигателя постоянного тока (ДПТ). Заданное УЧПУ положение рабочего органа сопоставляет­ся в блоке сравнения с реальным положением, известным из по­казаний датчика обратной связи. Рассогласование усиливается уси­лителем У и передается на двигатель ДПТ Обычно чем больше рас­согласование, тем больше крутящий момент, скорость вращения двигателя и подача. При приближении рабочего органа к заданно­му положению подача, пропорциональная рассогласованию, ав­томатически уменьшается, что обеспечивает точность позицио­нирования рабочего органа. Схема имеет вид замкнутой цепи и часто называется схемой управления по замкнутому контуру.

Значение выходного параметра передается обратно в начало схемы по так называемой цепи обратной связи (ОС). Так как при вычислении рассогласования  Х значение выходного параметра X вычитается из заданного значения Хз, такая обратная связь назы­вается отрицательной (ООС).

Схемы управления с ООС одинаково эффективны как для про­граммного управления, так и для компенсации возмущений со стороны окружающей среды. Недостатками систем с обратной свя­зью является низкое быстродействие, опасность резонансных яв­лений и потери системой устойчивости (лавинообразного нарас­тания амплитуды внутренних колебаний в системе — например, вибраций), что ведет к разрушению регулируемого объекта.

В сложных системах типа современного станка с ЧПУ приме­няется комбинированное управление, сочетающее все три принципа управления и обеспечивающее быструю реакцию на основные возмущения и точное автоматическое регулирование независимо от причин, вызвавших отклонение.

Адаптивные системы способны при выработке управляющего воздействия дополнительно учитывать условия функционирова­ния объекта. Так, в системе, представленной на рис. 3.1, ж, до­полнительно контролируется сила или мощность резания, при пре­вышении предельно допустимого значения автоматически сни­жается скорость резания или подача.

Самонастраивающиеся системы способны автоматически подби­рать оптимальные значения своих параметров в процессе работы, что расширяет область устойчивости таких систем, особенно если во время их действия меняются параметры объекта управления.

Системы оптимального управления, самоорганизующиеся систе­мы способны в процессе работы менять как свои параметры, так и структуру, и алгоритм работы.

Следует заметить, что только с использованием в системах уп­равления дешевых и производительных микроЭВМ появилась ре­альная возможность построения интеллектуальных и гибких сис­тем; изменение параметров, смена структуры и алгоритма управ­ления выражаются в этом случае в переключении на выполнение другого фрагмента управляющей программы, хранящейся в па­мяти ЭВМ.

Хотя существуют сложные и дорогие системы, однако в произ­водстве наиболее широко распространены простейшие.

Системы классифицируют и по виду алгоритма функциониро­вания.

Системы программного управления призваны изменять управля­емый параметр по заданному программой закону. Различают сис­темы:

с временной программой, когда задатчик работает от часов, тай­мера (например, управление изменением во времени температуры в печи при термообработке деталей);

пространственной программой, когда требуется скоординиро­ванное перемещение по нескольким направлениям, а конкретные моменты осуществления определенных действий не имеют боль­шого значения (например, при нарезании резьбы на токарном станке перемещение суппорта должно быть жестко привязано к вращению шпинделя).

Следящие системы предназначены для отслеживания (воспро­изведения) некоторого непредсказуемого входного параметра и отличаются от систем программного управления тем, что вместо программного задатчика используется датчик отслеживаемого па­раметра. Примером такой системы является гидроусилитель, вос­производящий поворот входного вала, но с большей мощностью.

Системы стабилизации предназначены для поддержания неко­торого параметра в заданных пределах, например давления в гидросистеме станка.

Системами прямого регулирования называются системы, в кото­рых чувствительный элемент воздействует непосредственно на ра­бочий орган, осуществляющий воздействие на объект. Примером таких систем является механическая копировальная система. Сила воздействия на рабочий орган, как правило, ограничена, воздей­ствие объекта управления на чувствительный элемент снижает его чувствительность.

В системах непрямого регулирования для перемещения рабочего органа используется дополнительный источник энергии, обычно электроэнергия, энергия жидкости под давлением или энергия сжатого газа. Чувствительный элемент вырабатывает сигнал, кото­рый усиливается и преобразуется в системе регулирования и управ­ляет мощным исполнительным устройством, воздействующим на рабочий орган. Эти системы применяются в случаях, когда требует­ся высокая точность позиционирования рабочего органа в сочета­нии с большой мощностью, необходимой для воздействия на него.

Системы управления делят также на непрерывные и дискретные (цифровые).

Процессы в реальном техническом объекте протекают обыч­но непрерывно по времени. Типичные датчики вырабатывают сиг­нал также непрерывно. Если в системе (см. рис. 3.1, д) все ос­тальные части — регулятор (электронный блок), усилитель (элек­тронный блок), исполнительное устройство (электродвигатель), преобразователь (механический редуктор) — также перерабатывают поступающий сигнал непрерывно, плавно реагируя на каж­дое его изменение, то вся система управления, включая объект управления, работает непрерывно. Недостатком непрерывных си­стем является их высокая стоимость по сравнению с дискретны­ми системами, содержащими один или несколько дискретных элементов.

Примерами дискретных элементов являются:

• ЭВМ в качестве регулятора, выполняющая программу по ша­гам, тактам;

• фотодатчик, выдающий импульс при перемещении контро­лируемого объекта на шаг датчика;

• шаговый двигатель, поворачивающий ротор на некоторый угол при поступлении на его вход очередного импульса.

При этом анализ показаний датчика обратной связи и выра­ботка управляющего воздействия осуществляются периодически, т. е. такая система существует в дискретном пространстве и времени.

Падение стоимости цифровых элементов обусловило тенден­цию к замене аналоговых устройств на дискретные. Следует отме­тить, что граница между аналоговыми и дискретными элемента­ми условна, так как реальный датчик имеет ограниченную точ­ность, любой исполнительный механизм также имеет вполне оп­ределенную точность, и вся система работает в рамках точности ее элементов. Современные дискретные (цифровые) элементы об­работки информации способны выдавать управляющие воздей­ствия с частотой нескольких тысяч раз в секунду при погрешнос­ти порядка 0,1 %, и работа дискретных систем, построенных на таких элементах, мало отличается от работы аналоговых, непре­рывных систем.

По функции, выполняемой в системе управления, элементы можно условно разделить на следующие группы:

- датчики или первичные преобразователи, выполняющие заме­ры контролируемых параметров объекта управления (перемеще­ния, температуры, давления и т.д.);

- усилители, усиливающие слабый сигнал датчика до уровня, требуемого системой управления, или усиливающие управляю­щее воздействие с регулятора мощности, достаточной для пе­ремещения рабочего органа;

Естественное желание конструкторов разгрузить чувствительный, элемент привело к созданию гидроусилителя, различные модифи­кации которого применяются достаточно ши­роко: при выпуске шасси самолетов, в систе­мах управления тяжелыми транспортными средствами, в станкостроении, при различных технологических процессах, где требуются значительные усилия (рис. 1.1.3). При сдвиге золотника масло под давлением начинает по­ступать в одну из полостей силового цилинд­ра. При этом силовой поршень следит за пе­ремещением гидрораспределителя, т.е. пере­мещается вслед за парораспределителем, осу­ществляя тем самым отрицательную обратную связь. Сила, действующая на поршень, может достигать десятков тысяч ньютонов, в то время как на перемещение гидрораспределителя за­трачивается лишь сила на преодоление весьма незначительного трения. Это трение невелико, так как поршень подвешен в масляной среде и не имеет сухого контакта со стенками. Гидро­усилитель представляет собой простейшую следящую систему, так как перемещение поршня происходит по произвольному закону, который воспроизводится силовым поршнем.

- корректирующие устройства, изменяющие сигнал в целях по­вышения качества регулирования, например фильтр, освобожда­ющий сигнал датчика от электромагнитных помех;

- переключающие устройства, управляющие цепями передачи сигналов и потоков энергии и обеспечивающие логику управле­ния, например электромагнитное реле или золотниковый гидро­распределитель;

- аналогово-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, обеспечивающие связь управляющей микроЭВМ с элементами аналогового, непрерывного действия типа усилителя;

- задающие устройства, хранящие и воспроизводящие по време­ни заданные законы изменения параметров объекта управления;

- исполнительные устройства, преобразующие усиленный до нужной мощности управляющий сигнал в форму, требуемую для управления рабочим органом, обычно в механическое перемещение, например электродвигатель или рабочий гидроцилиндр.