Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»

В.Ф. Мухин управление техническими системами

Конспект лекций

Омск 2005

УДК 681.5 (075)

ББК 32.965я73

М92

Рецензенты:

Р.А. Ахмеджанов, канд. техн. наук, проф. ОмГУПС;

М.А. Красников, зам. директора ОИОГТ

Мухин В.Ф.

М92 Управление техническими системами: Конспект лекций. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005. – 68 с.

В конспекте лекций кратко изложены основные положения теории автоматического управления, дающие представление о методах анализа и синтеза при проектировании автоматических систем. Конспект предназначен для студентов машиностроительных специальностей дневной и заочной форм обучения.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Омского государственного технического университета

УДК 681.5 (075)

ББК 32.965я73

© В. Ф. Мухин, 2005

© Омский государственный технический университет, 2005

Предисловие

Курс лекций «Управление техническими системами» является для машиностроительных специальностей одной из общепрофессиональных дисциплин и поэтому не ставит своей задачей обучение проектированию и расчету систем автоматического регулирования и управления. Исходя из этого, содержание лекций ограничивается сведениями о методах конструирования систем управления и направлено на понимание уровня сложности и решения задач при создании автоматических устройств для различных производственных процессов. По той же причине в лекциях не подчёркивается конкретная связь с отраслью производства, так как полученные сведения в дальнейшем являются фундаментом для изучения специальных дисциплин, таких как «Автоматизация сварочных процессов» или «Автоматизация процессов обработки металлов давлением» и т. п., учитывающих специализацию инженера-машиностроителя. Таким образом, принимая во внимание современные представления о высшей школе, лекции предназначены для установления кругозора и создания ориентира по данному направлению науки, чтобы исключить впечатления о несвойственных функциях и дать информацию о возможности управления техническими системами.

В отличии от учебника и учебного пособия конспект лекций имеет цель ввести студента в предмет и направить на его изучение, не представляя полную информацию для самостоятельной работы. Понимание существа и принципа построения систем управления, полученное в результате прослушанных лекций, даёт возможность при необходимости перейти к самостоятельному чтению и изучению имеющихся многочисленных учебников и учебных пособий для различных уровней подготовки по конкретным разделам и практической интерпретации результатов в технических устройствах.

Объём курса лекций соответствует минимальному количеству часов, отведённых на аудиторные занятия согласно учебному плану для специальностей машиностроительного факультета.

Лекция 1. Общие сведения об автоматизации, управлении и регулировании. Развитие материальной базы систем автоматического управления. Классификация систем управления по назначению

Под управлением в общепринятом смысле понимают организацию какого-либо процесса для достижения поставленной цели. В машиностроении имеют в виду технологические процессы изготовления какого-либо вида продукции или рабочие процессы какого-либо агрегата, устройства, установки, задействованных в таком технологическом процессе. По мере развития материальной базы промышленности и усложнения технологий быстро выяснилось, что эффектность производства тем выше, чем меньше интенсивность тяжелого физического труда, т. е. чем выше механизация производства. Под механизацией понимают замену физического труда человека трудом машин и механизмов. При этом функции управления и контроля остаются за человеком. Понятно, что физиологические возможности человека как управляющей системы не безграничны, поэтому возникли проблемы повышения количества и качества выпускаемых изделий, производительности труда, а также трудности с трудовыми ресурсами и их уровнем подготовки. Таким образом, дальнейшее повышение эффективности производства в условиях увеличения спроса на выпускаемую продукцию связано с внедрением систем, работающих без участия человека. В этом случае человек получает готовый результат технологического процесса без своего непосредственного участия и за ним остаются лишь функции настройки, наблюдения за работой технических устройств и при необходимости передача полученной продукции для дальнейшей обработки или реализации. Устройство, агрегат или техническая система, выполняющие свои функции без участия человека, называются автоматическими. Внедрение в производство каких-либо типов автоматических устройств называется автоматизацией.

Необходимость автоматизации обуславливается следующими основными факторами.

1. Необходимостью осуществить управление опасными производствами, в которых участие человека нежелательно или исключается. Здоровье человека бесценно, и любые затраты здесь оправданны.

2. Стремлением преодолеть ограничения в управлении, которые обуславливаются физиологическими возможностями человека как управляющей системы (быстрота реакции на изменение условий, точность, объективность и т. д.).

3. Стремлением повысить производительность труда и качество продукции.

4. Необходимостью рационально использовать оборудование, энергию и материалы

Первые автоматические регуляторы появились в связи с промышленным применением паровых машин в 1763–1765 г., рис. 1. Так, в паровой машине И.И. Ползунова был впервые использован широко теперь известный поплавковый регулятор уровня воды. В машине Дж. Уатта был применен центробежный регулятор оборотов. Далее до появления электрических машин и приборов автоматические устройства применялись в основном для поддержания заданного режима работы паровых машин и турбин. Применение электрических аппаратов значительно расширило область применения автоматических устройств, так как они более компактны и передача электрических сигналов управления значительно проще, чем механических.

Рис. 1. Развитие технической базы систем автоматического управления

Появление электронных приборов позволило еще более снизить габариты и вес автоматических регуляторов, обеспечивающих заданные алгоритмы управления.

Первый отечественный электронный регулятор появился в 1949 г., а с середины 50-х годов в СССР началась разработка системы ГСП – Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации, задачей которой является создание автоматических и информационно-управляющих систем из стандартных приборов, обладающих совместимостью. Устройства ГСП – это устройства для конкретных функций, т. е. для обеспечения схемной реализации алгоритма управления в типовых автоматических системах. Устройства, входящие в ГСП, представляют собой параметрический ряд (ГОСТ 12997-67 и дополнения) и обладают функциональной, метрологической, конструктивной и эксплуатационной совместимостью. Системы включают в себя устройства для получения первичной информации (измерение каких-либо параметров, например температуры, давления и т.д.) и их преобразования в сигналы, удобные для дальнейшего использования в управлении (чаще всего электрические); устройства передачи информации; регулирующие и вычислительные устройства; устройства отображения информации. Приборы, входящие в ГСП, могут быть разделены на три ветви по виду используемой энергии: электрическая, пневматическая и гидравлическая. Наиболее развита электрическая ветвь. Приборы и средства ГСП работают на основе принятых стандартных сигналов. Из приборов могут быть построены схемы для реализации типовых алгоритмов регулирования, логического управления и т. п. В машиностроении система ГСП используется наряду со специальными автоматическими устройствами, соответствующими специфике той или иной отрасли производства конкретных изделий. Цель системы – снизить затраты на проектирование.

С появлением и внедрением вычислительной техники появилось направление АСУТП – автоматизированные системы управления технологическими процессами, которые предназначены для централизованного управления. Первые системы только облегчали труд оператора центрального пульта управления (информационный и информационно-советующий режимы), а по мере развития направления частично или полностью смогли заменить его (режим непосредственного управления). В этих системах оператор имеет возможность при необходимости в любой момент вмешаться в работу управляющей вычислительной машины, что отражено в названии: не автоматические, а автоматизированные, т. е. не исключающие участие человека. Особенно эффективны АСУТП в энергетике, в химической промышленности, в непрерывных производствах.

Миниатюризация в электронике, появление мини- и микро-ЭВМ позволило продвинуть автоматизацию и в те отрасли машиностроения, где автоматические устройства не давали существенного положительного эффекта из-за необходимости в частой перестройке агрегатов. Мини- и микро-ЭВМ позволили повысить надежность управляющих систем путем резервирования возможностей без существенного увеличения затрат (распределенные системы) и создавать гибкие автоматизированные системы (ГАПы), обеспечивающие безлюдные технологии изготовления типовых деталей и узлов с несколькими видами обработки. В ГАПах автоматизируется подача и обработка деталей и узлов с помощью промышленных роботов, выполняющих функции токаря, сварщика, штамповщика и т. д. Таким образом, появилась возможность круглосуточной работы участка технологической обработки и повышения производительности производства при стабильном качестве. Применение промышленных роботов (ПР), станков с числовым программным управлением (ЧПУ) и ГАПов эффективно при серийном производстве, когда быстро окупаются затраты на перенастройку оборудования. При мелкосерийном производстве затраты на переналадку относительно велики, а при массовом больший эффект обеспечивают автоматические линии.

На сегодняшний день при металлообработке автоматизировать весь процесс изготовления детали или узла чаще всего достаточно сложно и экономически не целесообразно. Поэтому в машиностроении больше распространены так называемые локальные системы автоматизации, обеспечивающие автоматизацию только части общего процесса изготовления изделия. Например, процесс термообработки, транспортировки, штамповки, несложной сборки и т. д. Полная автоматизация более характерна для непрерывных производств: производства нефтепродуктов, электроэнергии и т. д. При частичной автоматизации совместная работа автоматических и других систем координируется человеком. Локальные автоматические системы можно классифицировать по назначению, рис. 2.

Системы защиты и блокировки обеспечивают защиту каких-либо устройств от аварийных режимов, автоматическое отключение при перегрузке, блокировку неисправных устройств. Системы сигнализации предназначены для извещения оператора о состоянии тех или других элементов агрегата или о протекании технологического процесса. Системы контроля и учета могут автоматически контролировать размер детали в процессе обработки, учет количества продукции, измерение и контроль параметров различных процессов.

Рис.2. Классификация автоматических систем по назначению

Системы автоматического управления включают системы регулирования, системы логического управления, т. е. управления на основании логических операций, и более сложные системы оптимального регулирования, последние иногда называют кибернетическими системами.

Системы регулирования решают задачу обеспечения заданных режимов работы различных технических устройств, задачу более узкую и простую, чем управление. Логические системы управляют последовательностью работы отдельных агрегатов. Кибернетические системы решают более сложные задачи, к которым относятся оптимальное регулирование и самонастройка в зависимости от окружающих условий и т. п.

По мере развития материальной базы автоматических систем потребовались расчетные методы, позволяющие определить параметры и спроектировать автоматическую систему без каких-либо экспериментов и затрат на дополнительную защиту ее во время эксплуатации от аварийных режимов и непредсказуемого поведения при изменении внешних условий. Но лишь к 40-м годам двадцатого века окончательно сформировалась прикладная наука автоматика, как раздел фундаментальной науки кибернетики. Автоматика изучает общие принципы построения систем автоматизации и включает в себя теорию технических средств автоматики, теорию автоматического регулирования (ТАР), теорию автоматического управления (ТАУ). Элементы этих курсов объединены под общим названием «Управление техническими системами».