Раздел 1. Основы автоматизации производства

1.1 Системы без обратной связи (ос) и системы с ос. Общие понятия. Занятие 2.

Системы управления (СУ) служат для управления объектами регулирования (ОР). В качестве ОУ может служить двигатель, нагревательное или охлаждающее устройство, система регулирования уровня жидкости и т.п. Управление может быть жестким, без обратной связи (ОС) и с ОС.

Жесткое управление применяется тогда, когда не требуется подстраиваться к изменениям управляемой величины. Жесткое управление сводится к включению – выключению исполнительного элемента (ИЭ). Примерами жесткого управления являются устройства включения и выключения насоса охлаждающей жидкости в металлообрабатывающем станке; двигателя вентиляции в системе обеспыливания атмосферного воздуха; двигателя перемещения конвейерной ленты и т.д.

В системах без ОС выходная величина регулируется в соответствии с законом регулирования, который задается специальным устройством--задатчиком. Для задания закона регулирования может использоваться любая физическая величина: напряжение, ток, частота и т.д. Например, если двигатель должен иметь линейно возрастающую скорость V=V₀ + vt, задатчик может задавать входную величину в виде напряжения U= U₀+ ut , частоты F = F₀+ ft или другой, удобной для работы, физической величины, изменяющейся по линейно возрастающему закону Y = Y₀ + yt . ОР должен выполнять определенные функции, для выполнения которых он предназначен. Двигатель должен развивать необходимую мощность, штамп сжимать пластмассу с определенным усилием и скоростью, печь–нагревать заготовку с определенным законом изменения температуры. Если изучены все факторы, влияющие на выходную величину, закон регулирования может быть задан достаточно точно. Однако, существует достаточно много явлений случайного характера, которые называются возмущениями или возмущающими факторами, учесть действие которых в задающем воздействии невозможно. Примеры.

1. Пусть закон движения автомобиля –постоянная скорость. Она обеспечивается постоянным расходом топлива. Как только на пути возникает подъем или спуск (случайные процессы), расход топлива нужно изменить. Закон регулирования нарушается. Возмущающий фактор—профиль дороги.

2. Температура помещения, которая, как правило, должна быть постоянной, определяется нагревом батарей. Ветер или изменение температуры снаружи изменяет температуру в помещении. Возмущающий фактор—погодные явления.

3. Чистота поверхности детали после обработки токарным станком должна быть одинаковой, что определяется скоростью резания. Скорость резания будет постоянной, если припуски на обработку по всей обрабатываемой поверхности одинаковы!

Справедливости ради следует отметить, что во многих случаях возмущающие факторы можно учесть заранее и соответствующим образом изменить закон регулирования. Например, величину припуска на обработку детали можно сделать постоянной, увеличив точность литья или предварительной обработкой. Влияние погоды на температуру в помещении уменьшить, установив теплоизоляцию на стенах и т.д. Однако во многих случаях приходится использовать другие приемы, которые сводятся к двум.

1. Определяется величина или скорость изменения возмущающего фактора. В зависимости от этого корректируется закон задания входной величины. Возмущение компенсируется. Компенсировать возмущение можно не только изменением входной величины. Можно задать воздействие, противоположное возмущению. Например, поступление холодного воздуха при открытой двери можно компенсировать установкой у двери вентилятора с горячей струёй, направленной против потока поступающего холодного воздуха. При этом регулирующая система работает по своему закону. Такое регулирование называется регулированием по компенсации возмущений.

2. Измеряется выходная (регулируемая) величина и определяется ее отклонение от заданной. В зависимости от отклонения изменяется входная величина так, чтобы уменьшить это отклонение. Способ регулирования называется регулированием по отклонениям. Регулирование по отклонениям возможно только путем воздействия на входную величину отклонением выходной величины. Такое воздействие возможно при наличии обратной связи (ОС). Системы регулирования называются системами с ОС.

Системы с ОС имеют существенное преимущество перед системами без ОС, главное из которых заключается в том, что в системах с ОС нет необходимости определять и измерять возмущающие факторы. Независимо от причины любое изменение выходной величины приводит к изменению воздействия на ОР в сторону уменьшения отклонения. При современном состоянии техники системы с ОС используются в большинстве систем регулирования. Системы без ОС дешевле и используются в тех случаях, когда возмущающие факторы известны и их можно достаточно просто компенсировать.

1.2 Системы без ОС. Системы программного управления. Занятие 3.

Из предыдущего следует, что результат воздействия на ОР остается неконтролируемым в при отсутствии ОС. Такие системы удобно применять в тех случаях, если, например, нужно включать различные устройства в определенной последовательности, причем последовательность можно менять (программировать). Включение объекта должно быть настолько надежным, что оно не нуждается в проверке, или, наоборот, сбой при включении не вызовет катастрофических результатов. Примером таких устройств может служить система управления светофорами на перекрестке. Светофоры должны включаться в определенной последовательности. Но эта последовательность различна на различных перекрестках, кроме того, последовательность может меняться и на отдельном перекрестке в зависимости от условий (ремонт дороги, модернизация, время суток и т.д.).

Другим примером может служить система, управляющая включением оборудования в той последовательности, которая необходима для обеспечения технологического процесса.

Еще одна возможность использования такой системы—подача в ОР мощности по заданной программе.

Особенность таких систем программного управления состоит в том, что переключения совершаются в определенные, запрограммированные моменты времени. Поэтому регулирование называют регулированием по времени, а устройства—программаторами (следует отличать от программных переключателей, представляющих собой многопозиционный переключатель, каждая позиция которого соответствует определенному коду). Программаторы такого типа обычно имеют количество выходов, равное числу управляемых объектов (см. рис.).

Существуют системы программного управления, управляющие одним объектом, в котором управляемая величина должна изменяться по заданной программе. В этом случае система имеет один выход, на который поступает напряжение, частота или другая физическая величина, изменения которой соответствуют необходимым изменениям регулируемой величины. Проще всего, когда регулируемая величина изменяется по линейному закону. Однако при нелинейном изменении разбивают весь регулируемый интервал на небольшие линейные участки (линейная интерполяция). Чем больше участков, тем точнее интерполяция.

В есь период работы разбивают на интервалы. В устройствах первого типа (левый рисунок) в течение интервала переключений нет, т.е. работает определенный состав устройств. В следующем интервале –другой состав. Все переключения осуществляются между интервалами. Длительность интервала может быть разной и определяется временем между двумя последовательными переключениями.

В устройствах второго типа (правый рис.) внутри интервала выходная величина либо не изменяется, либо изменяется по одному линейному закону. В другом интервале линейный закон изменения может носить другой характер.

Во всех случаях выходная величина изменяется по заданному закону, а информации о ее состоянии на устройство не поступает. Программаторы могут выполняться на различных элементах: реле, микросхемах, микроконтроллерах.

1.3 Составные части систем программного управления

1.3.1 Программатор ПВК15-20. Структурная схема. Занятие 4.

Программатор ПВК15-20 является типичным устройством программного управления, служащим для включения-выключения 20 объектов регулирования (команды управления—Ком1…Ком20) в течение 15 временных интервалов. Максимальная длительность каждого из пятнадцати интервалов может быть 39ч 59мин 59с. Максимальная длительность всех пятнадцати интервалов равно 39ч 59мин 59с х 15 ≈ 600 ч (почти месяц непрерывной работы). Название и обозначение блоков показано на структурной схеме. Работа устройства пояснена ниже.

Формирователь синхроимпульсов (А2) представляет собой генератор частоты 1МГц и делители частоты на 10. Частоты, поступающие на схему управления (А3) и служащие для синхронизации всего устройства, равны: 1МГч, 100КГц, 10 КГц. 1КГц, 100Гц.

Схема управления (А3) управляет последовательностью работы основных блоков устройства: Ячейка регистра (А9), Счетчик времени (А1), Блок связи с центральной ЭВМ (А4).

Счетчик времени А1 представляет собой двоично-десятичный счетчик. Диапазон счета 39ч 59 мин 59 с, т.е. в его состав входит 6 десятичных разрядов, цена деления младшего разряда—1с. Счетчик времени служит для отсчета времени интервала от его начала до окончания (перехода к следующему интервалу). В начале работы и в конце каждого интервала с устройства А3 на счетчик времени приходит команда "Сброс", устанавливающая счетчик в нулевое состояние. Содержание счетчика времени поразрядно передается на блок индикации А8 (через дешифратор А6) и на коммутатор "Время-интервал" А5.

Коммутатор "Время-интервал" А5 служит для: 1) для программирования длительности каждого из пятнадцати интервалов; 2) сравнения этой длительности с кодом числа, поступающего со счетчика времени; 3) выдачи сигнала (1) на выходы ВК1…ВК15 о равенстве этих чисел.

Сказанное выше объясняется следующим образом. Когда начинается некоторый интервал, счетчик времени начинает определять его длительность, начиная с нуля и до текущего значения. Двоично-десятичный код времени поступает на коммутатор А5 и сравнивается с кодами чисел, установленными на каждом из пятнадцати интервалов. При сравнении кодов на вертикальную шину ВК1…ВК15, соответствующую интервалу, в котором это произошло, подается "1". Эта единица означает, что запрограммированная длительность истекла, надо менять номер текущего интервала. Но какого?

Номер текущего интервала хранится в ячейке регистра (ЯР) А9. Шины ВК1…ВК15 подаются на эту ячейку. Совпадение номера шины, по которой пришла единица, с номером интервала, установленного в ЯР, означает, что содержимое ЯР нужно увеличить на 1, т.е. перейти на следующий интервал.

Ячейка регистра А9 служит для хранения номера текущего интервала, сравнения его с номером шины ВК1…ВК15 интервала, на котором истекло запрограммированное время, и передачи этого номера на устройства, служащие для выполнения действий, запрограммированных в этом интервале.

На ЯР с устройства А3 приходят следующие команды. В начале работы приходит команда "Сброс", устанавливающая ЯР А9 в исходное состояние. Следующей командой является команда "Взвод", по которой ЯР переходит в состояние первого интервала. Переход к каждому последующему интервалу происходит по команде "Сдвиг".

При сравнении на ЯР номера текущего интервала с номером ВК1…ВК15 с коммутатора А15 (время текущего интервала истекло), ЯР вырабатывает сообщение "Конец интервала", поступающее на схему управления А3, которая выдает на А1 команду "Сброс", на А9—"Сдвиг". Начинается следующий интервал.

Коммутатор А10 "Интервал-команда" служит для программирования "вкл.-вык" любого сочетания из двадцати устройств, которыми управляет программатор, в каждом из пятнадцати последовательных интервалов.

При управлении номеру текущего интервала соответствует "1" на одной из пятнадцати шин Инт1…Инт15, идущих от ЯР. На каждой из этих шин (т.е. в данном интервале) запрограммировано включенное состояние каждого из двадцати устройств. Каждому устройству соответствует своя шина Кан1…Кан15. Шины поступают на дешифратор А11, представляющий собой набор реле, катушки которых включаются сигналами Кан1…Кан15. Контакт каждого реле может подать напряжение на соответствующее ему устройство.