Основні поняття і визначення

Автоматичні системи контролю, керування і регулювання

Модуль 4 Автоматичні системи контролю, керування і регулювання

План

4.1 Автоматичні системи контролю, керування і регулювання

4.1.1 Основні поняття і визначення

4.1.2 Системи автоматичного контроля

4.1.3 Системи автоматичного керування

4.1.4 Системи автоматичного регулювання

4.2 Датчики

4.2.1 Основні характеристики датчиків

4.2.2 Датчики технологічних параметрів

4.3 Пристрої перетворення сигналу

4.3.1 Перехідні пристрої

4.3.2 Пристрої нормалізації сигналів

4.3.3 Підсилювачи

4.3.4 Цифрові пристрої

4.3.5 Цифроаналогові і аналого-цифрові перетворювачи

4.4 Виконавчи механізми

4.4.1 Види виконавчих механізмів

4.4.2 Електромеханічні виконавчи механізми

4.4.3 Електропневматичні і електрогідравлічені виконавчи механізми

Алгоритми, що описують дії різних виконавців в самих різних ситуаціях сприймаються нами як послідовність команд і вказівок, відданих людиною, а деяка абстрактна машина, яка вказується як виконавець алгоритму, представлялася, у вигляді людиноподібного робота, що чув, розумів і виконував ці команди своїми руками.

Звичайно, реальні команди алгоритмів не звучать гучними голосами і для їх сприйняття машинам не потрібні вуха. Технічні пристрої, що виконують алгоритми, використовують інші способи передачі і прийому інформації і діють не руками. Вони об'єднуються в системи, здатні шляхом виконання багатьох алгоритмів вирішувати найважливіші завдання автоматизації виробництва, — контролю, керування і регулювання.

4.1.1.1 Процеси. З усього різноманіття виробництв нашого життя ми розглядатимемо тільки те, що безпосередньо пов'язане із створенням, накопиченням, перетворенням і транспортуванням матеріалів, виробів і енергії.

Кожне з перерахованих завдань вимагає здійснення певних операцій в певній послідовності — тільки в цьому випадку завдання буде виконано, тобто буде досягнута поставпоставленная мета. При цьому під операцією розумітимемо дію, що здійснюється певним чином над певним об'єктом на певному устаткуванні. Поняття операції може бути ширшим або вужчим — це залежить від практики, що склалася в різних галузях, і від того, наскільки детально описываються етапи рішення задачі. Ми робимо акцент на суть операції — вона є структурною одиницею процесу.

Процес — послідовність операцій, що ведуть до досягнення мети.

Виготовлення бутерброда, сортування виробів, вантаження контейнерів, заповнення резервуарів, нагрів речовини до заданої температури — усе це технологічні процеси.

Є на підприємствах ще одна група процесів, які безпосередньо не пов'язані з виробництвом, але з точки зору автоматизації їх можна розглядати так само, як технологічні процеси. Наприклад, нагрів деталі до заданої температури — технологічний процес, але так само можна забезпечити підтримку нормальної температури у виробничих приміщеннях. Контроль стану дискретних виконавчих механізмів (відкрито - закрито) — елемент технологічного процесу, але за цим же принципом організована система охорони приміщень (і не лише на виробництві, але і в житлових будинках).

Ці приклади показують, що при творчому підході можна застосувати знання, отримані при вивченні автоматизації виробництва, у багатьох інших сферах нашого життя, у тому числі що не мають до виробництва ніякого відношення.

4.1.1.2 Керування. Послідовність дій, які слід зробити для досягнення мети, треба спочатку розробити (вигадати), потім записати і виконати. Результатом розробки послідовності дій є план дій в голові розробника, результатом запису — алгоритм, а результатом виконання — послідовність операцій (технологічний процес).

Якщо технологічний процес виконує людина, то йому зрозуміло, як забезпечити виконання послідовності дій, передбаченою алгоритмом. Наприклад, навряд чи у вас викличе питання процес виготовлення бутерброда.

Для виконання яких-небудь дій машиною потрібно забезпечити розуміння нею алгоритму як послідовності команд, що ведуть до досягнення мети. Людині досить побачити алгоритм в словниковій або графічній формі, щоб реалізувати технологічний процес. Машина побачити алгоритм не може. Навіть якщо він записаний на алгоритмічній мові, прочитати його команди машині не під силу.

Отже, при машинному виконанні алгоритму між ним та технологічним процесом має бути посередник, який забезпечить розуміння машиною команд алгоритму. Потрібний деякий перекладач, що уміє переводити команди в такі дії на машину, які змусять її виконувати потрібні дії відповідно до алгоритму. Функція, яку належить виконувати цьому перекладачеві, називається керування.

Керування — це формування дій на об'єкт у відповідності із заданим алгоритмом.

Об'єкт, на який робиться дія, називається об'єктом управління. Ним може бути не лише машина, але і людина, підприємство, суспільство, а також процес, наприклад технологічний.

Формувати керуючий вплив теж може як людина, так і машина.

Людину, що виконує функції керування, називають по-різному: керівник, директор, керівник, а також водій, пілот, машиніст і так далі. Людину, що керує автоматизованою системою, прийнято називати оператором. У автоматичних системах керуючі впливи формує керуючий пристрій.

Водій керує автомобілем відповідно до плану поїздки для досягнення поставленої мети — попадання на необхідну вулицю або в потрібне місто. Він впливає на автомобіль через кермо, педаль гальма, важіль перемикання передач. Водій в цьому випадку — керівник, а автомобіль — об'єкт керування. Пілот, що веде літак, — що теж керує, в усякому разі до тих пір, поки він не передасть управління автопілоту. Тоді автопілот стане пристроєм, що керує, об’єктом керування якого буде літак. Машина керуватиме мишиной, тобто літак стане повністю автоматичною системою.

Будь-яка машина, використовувана в якості об'єкту керування, зазвичай здатна виконувати одно за іншим різні дії, а також виконувати одну і ту ж дію багаторазово. Послідовність дій (операцій) — це вже процес. Тому між керуванням машинами і керуванням процесом істотної різниці немає.

Керування технологічним процесом — це керування послідовністю операцій, тобто формування керуючих впливів на тих, хто ці операції виконує. У цеху, де роботи виконуються вручну, керування технологічним процесом зводиться до керування керівником діями робітників. Якщо ж дії здійснюють машини, то керування процесом є формуванням дій на машини, з тим щоб вони виконували потрібні дії в потрібній послідовності відповідно до алгоритму. В цьому випадку впливати на машини може як оператор, так і керуючий пристрій.

4.1.1.3 Сигнали. Керування — це формування дій на об'єкт керування. Що є цими діями? Відповідь залежить від того, хто або що є об’єктом керування.

Якщо об'єкт керування — людина, то дія на нього відповідно до алгоритму є відданою йому усно або письмово розпорядження про виконання тієї або іншої послідовності дій, тобто дія являється інформаційною. Якщо ж об'єкт керування — машина, то вплив має бути таким, щоб він викликав у машини реакцію у відповідь у вигляді здійснюваної нею потрібної дії.

Під машиною мається на увазі пристрій, що виконує за людину ту або іншу роботу. Але людині властиві два види роботи: розумова і фізична. Розумова робота пов'язана з переробкою інформації, фізична — з енергетичним впливом на об'єкти матеріального світу. Відповідно розрізняються машини, що перероблюють інформацію, які називаються інформаційними пристроями, і машини, що забезпечують енергетичний вплив на об'єкти, які називаються виконавчими механізмами.

Технологічні процеси пов'язані із створенням і перетворенням об'єктів матеріального світу. Для виконання операцій технологічного процесу виконавчі механізми витрачають енергію, тому дія, що управляє, яка змушує їх працювати, теж має бути енергетичною.

Існує безліч варіантів такої дії: електрична, механічна, гідравлічна та ін. Ці дії характеризуються різними фізичними величинами: електричною напругою, переміщенням, тиском і так далі. Наприклад, керуючий вплив може бути поданим на виконавчий механізм електричним струмом або напругою, створеним в трубопроводі тиском, переміщенням заслінки і так далі.

Напруга, тиск, переміщення можуть бути і великими, і маленькими, діяти впродовж різних інтервалів часу і мати різні напрями, тобто ці фізичні величини можуть змінюватися. Зміни можуть бути пов'язані із станом пристроїв, що формують ці величини, отже вони можуть містити інформацію про ці пристрої.

Інформація, яка може бути використана в яких-небудь корисних цілях, називається корисною інформацією, а фізична величина, що містить цю інформацію, називається сигналом.

Сигнал — це фізична величина, що змінюється, значення якої містять корисну інформацію.

Фізичні величини, що змінюються, не несуть корисної інформації, в теорії інформації відносяться до шумів.

Слід відрізняти сигнал від його носія. Носіями сигналів є матеріальні об'єкти, що мають енергію: електричний струм, потік рідини, світло (електромагнітне поле) і так далі. Відповідно сигнали можуть бути електричні, гідравлічні, світлові та ін. Практично в усіх автоматичних системах використовують електричні сигнали.

Сигнал є однією з характеристик його носія: сила струму, тиск рідини, інтенсивність світла, а в деяких випадках — час існування сигналу.

Таким чином, керуючі впливи представляють собою сигнали, що формуються оператором або керуючим пристроєм і передаються виконавчим механізмам, які називаються сигналами керування, або керуючими сигналами.

Залежно від того, яку дію повинен виконати виконавчий механізм, можливі два види керуючих сигналів: аналогові і дискретні. Аналогові сигнали використовують у випадках, коли виконувана дія має кількісну характеристику: «повернути заслінку на 41°», «перемістити движок реостата на 27 мм», «збільшити частоту обертання двигуна до 600 об/хв» і так далі. В цьому випадку керуючий вплив, має бути змінюваним щоб забезпечити саме таку реакцію виконавчого механізму, яка потрібно для правильного виконання цієї операції і усього алгоритму, тобто керуючий сигнал повинен містити інформацію про кількісну характеристику дії.

Наприклад, виконавчий механізм повинен перемістити заготовку залежно від заданих умов або на 3мм, або на 5,1мм, або на 8,2мм. Змінюючи значення керуючого сигналу, наприклад електричної напруги, ми повинні мати можливість забезпечити потрібне переміщення. Інший приклад: для нагріву деталі до заданої температури ми повинні, подаючи відповідний сигнал, зробити на нагрівальний пристрій дію, що призводить саме до цієї температури. І відстань, і температура можуть бути будь-якими (звичайно, в певних межах), означає, керуючі сигнали, що їх задають, теж можуть мати будь-які значення.

Більшість фізичних величин можуть набувати будь-яких значень. Якщо вони змінюються, то їх значення можуть ставати трохи більше або трохи менше, причому кількість різних значень, що трохи відрізняються, нескінченна. Такі величини називаються аналоговими. Вони безперервні, тобто їх значення не можуть змінюватися стрибкоподібно.

Аналоговими називаються величини, які можуть мати бесчесленное безліч значень.

Отже, керуючі сигнали, які можуть мати будь-які значення, теж є аналоговими. Поняття «Будь-які значення» тут не зовсім точне, оскільки сигнали виробляються конкретними пристроями з певними характеристиками, обмеженими, наприклад, напругою живлення. По-цьому значення сигналів можуть бути будь-якими тільки в визначених межах.

Сигнали, які можуть набувати будь-яких значень (у визначиних межах), називаються аналоговими.

Кожен виконавчий механізм під дією аналогового керуючого сигналу, виконує наказана дія настільки, наскільки це визначено значенням сигналу.

Дискретні сигнали використовують у випадках, коли дія, яка виконується, не має кількісної характеристики, тобто вона може бути виконане тільки однозначно — його неможливо виконати ні трохи більше, ні трохи менше (наприклад: «закрити клапан», «перемістити важіль до упору», «вімкнути двигун», «встановити інструмент А в позицію № 7» і так далі). У клапана можуть бути тільки два стани: він або відкритий, або закритий (його не можна закрити трохи більше). Так само не можна трохи більше включити двигун — він або включений, або вимкнений. І хоча інструмент А може мати багато позицій, кожна з них однозначна — не можна встановити його в позицію № 7 трохи більше або трохи менше.

У цих прикладах керуючий сигнал, може бути самим простим, наприклад у вигляді того, що подається на виконавчий механізм електричної напруги. Немає напруги — немає дії, подана напруга — виконується дія. Можливо, в якихось випадках цю напруга доведеться подати кілька разів (наприклад, сім імпульсів напруги, щоб встановити інструмент в позицію № 7). Але значення напруги, що подається, стандартне, фіксоване, воно визначається тільки паспортними даними виконавчого механізму, а не виконуваною ним дією. Для керування важливе не значення напруги, а то, є вона або ні, тобто такий керуючий сигнал може мати тільки одно з двох фіксованих значень: або нуль, або деяке значення, визначене характеристиками об'єкту керування.

Існують величини, які характеризуються безліччю фіксованих значень, наприклад кількість яких-небудь об’єктів, яке завжди виражається цілими числами.

Величини, які мають два фіксовані значення або більше, називаються дискретними.

Дискретні величини за своєю природою переривчасті, оскільки між будь-якими двома сусідніми значеннями цих величин мається різниця, яка називається кроком дискретизації.

Сигнали, що мають два фіксовані значення або більше, також називаються дискретними.

У системах контролю і керування зазвичай використовуються двійкові дискретні сигнали, що мають тільки два фіксовані значення, як розглянуті раніше керуючі сигнали.

Можна створити умови, при яких аналогові величини проявляють себе як дискретні. Наприклад, маса — аналогова величина. Але якщо ви купили декілька пакетів молока по 1 кг кожен, то маса вашої купівлі стає дискретною — скільки б ні було у вас пакетів, їх загальна маса може мати тільки фіксовані значення: 2, 3, 4 кг і так далі. Таке перетворення аналогової величини в дискретну називається дискретизацією.

Таким чином, будь-яка фізична величина по характеру зміни її значення може бути або постійною (якщо вона має тільки одно фіксоване значення), або дискретною (якщо вона може мати два або більше фіксованих значень), або аналоговою (якщо вона може мати безліч значень).

У автоматичних системах постійні за значенням фізичні величини часто використовуються в якості еталонних для порівняння з ними інших величин, що змінюються в ході різних процесів.

Ми розглянули різні види керуючих сигналів. Проте сигнали можуть містити не лише інформацію, необхідну для керування, але і будь-яку іншу інформацію, яку треба передати різним технічним пристроям або оператору. Наприклад, сигнали, що формуються різними датчиками, несуть інформацію про значення технологічних параметрів, про стан виконавчих механізмів і таке інше.

4.1.1.4 Виконавчі механізми. Виконавчий механізм (ВМ) — цей пристрій, діє на об'єкти відповідно до отриманого керуючого сигналу.

Розглянемо на прикладах, як виконавчі механізми сприймають керуючі сигнали і виконують наказані ними дії.

Потрібно зробити сортування циліндричних виробів по діаметру і розподілити їх по двох магазинах (ящикам, коробкам). Вироби поступають з конвеєра в пристрій, який вимірює їх діаметр, і залежно від результатів виміру інше пристрій поміщає виріб в той або інший магазин.

Алгоритм сортування може бути наступним:

1. Встановити виріб у вимірювальний пристрій.

2. Виміряти діаметр виробу.

3. Якщо діаметр більший за заданий, то помістити виріб в магазин № 1.

4. Інакше помістити виріб в магазин № 2.

5. Кінець галуження.

Не враховуючи організацію повторення циклу і виміру діаметру і виробу, розглянемо виконання команд Помістити виріб в магазин № 1 і Помістити виріб в магазин № 2. Очевидно, що виконавчий механізм, що виконує ці дії, повинен мати, деякий важіль, що зрушує виріб з конвеєра або у бік першого магазину, або у бік другого магазину. У такій ситуації на ВМ може подаватися сигнал, наприклад, у вигляді електричного струму, що протікає або в одному, або в іншому напрямі. Електричний струм має енергію, за рахунок якої може виконуватися переміщення важеля. Інформація про номер магазину виражається напрямом струму, залежно від якого важіль зміщується в ту або іншу сторону.

Наприклад, при вантаженні контейнерів у залізничний вагон тільки після вантаження чергового контейнера можна визначити, чи є ще вільне місце у вагоні і чи варто продовжувати вантаження. В цьому випадку рядок з умовою повторення циклу є його нижньою межею, а верхню межу встановлюють рядком Початок циклу.

Складемо циклічний алгоритм вантаження контейнерів у вагон:

Дата добавления: 2014-11-26