Василькова Н. Н.
Краткий конспект лекций
по дисциплине
«История развития отрасли»
(История автоматики и кибернетики)
Для студентов, обучающихся по направлению
«Управление в технических системах»
Профиль «Автоматизация и управление в технических системах»
2016
Краткий конспект лекций
по дисциплине «История развития отрасли»
(История автоматики и кибернетики)
Содержание
Часть 1. Введение в специальность «Автоматизация технологических
процессов и производств»………...……………………………………………………2
Часть 2. Хронология научно-технического прогресса человечества
с древнейших времён до наших дней………………………………………………... 16
Часть 1. Введение в специальность
«Автоматизация технологических процессов и производств»
Введение. Основные понятия и определения.
Понятие о механизациии автоматизации производства.
Значение механизации и автоматизации.
Любой технологический процесс представляет собой организованную совокупность операций, которые условно можно разбить на 2 группы:
- рабочие операции
- операции по управлению технологическим процессом.
Рабочие операции – это действия, необходимые для осуществления данного процесса с целью получения нужной продукции. Эти операции разрабатывают и изучают специалисты-технологи. Специалисты по автоматизации технологических процессов и производств занимаются операциями по управлению технологическими процессами. Что же такое управление?
Управлением называется воздействие на какой-либо объект, направленное на достижение определенной цели.
Цели управления могут быть весьма разнообразными, и зависят от объекта управления. При управлении технологическими процессами на промышленных предприятиях целью управления очень часто является поддержание параметров данного технологического процесса на определённых значениях, то есть обеспечение заданной технологии.
Все современные системы управления технологическими процессами по степени участия человека в процессе управления можно разделить на 3 класса:
Системы ручного управления, когда все операции по управлению технологическим процессом осуществляются человеком.
Автоматизированные системы управления. В таких системах часть операций управления осуществляется человеком, а часть - с помощью технических устройств.
Автоматические системы управления (или системы автоматического управления, сокращённо САУ). В них все операции управления выполняются техническими устройствами.
Автоматическая система. Устройство, агрегат, машина, и вообще любая техническая система, называется автоматической системой, если она выполняет свои основные функции без непосредственного участия человека.
Автоматизация. Внедрение автоматических систем в тот или иной производственный процесс называется автоматизацией. Автоматизации любого технологического процесса всегда предшествует его механизация.
Механизация. Механизацией называется внедрение в производственный процесс таких механизмов и машин, которые облегчают только физический труд человека ( например, экскаватор вместо лопаты, лифт вместо лестницы, подъёмный кран, транспортёр, транспортные средства и т.п.).
В механизированном производстве человек продолжает принимать непосредственное участие (вынужден оставаться в производственной зоне), хотя его физический труд облегчен и сводится к нажатию кнопок, педалей, повороту рычагов. В механизированном производстве человек управляет работой механизмов и машин.
Автоматизация – это более высокая ступень машинного производства, когда человек освобождается не только от тяжёлой физической работы, но и функции управления работой механизмов и машин, кон роля за результатами производства также передаются техническим средствам – автоматическим системам управления. В автоматизированном производстве человек не должен теперь постоянно находиться в производственной зоне, которая не всегда благоприятна для здоровья и даже для жизни людей, т.к. за человеком остаются эксплуатационные функции (наладка, настройка и общее наблюдение за работой автоматических систем) и творческие задачи (создание новых, более совершенных автоматических систем).
Значение автоматизации определяется по трём направлениям:
Автоматизация, как и механизация, облегчает физический труд человека, повышает производительность труда, позволяет улучшить качество выпускаемой продукции. Но автоматизация идёт дальше – она фактически расширяет физиологические возможности человека, так как делает возможными такие производства, которые без неё вообще были бы немыслимы. Это, например, химические производства, вредные для здоровья людей, но производящие полезную продукцию, работа на атомных электростанциях, освоение космоса, освоение мирового океана и т.п.
Автоматизация облегчает не только физический, но и умственный труд человека, т.к. перекладывает на технические средства выполнение не только объёмных утомительных вычислительных операций, но и логических операций, операций по принятию решений, в том числе и управленческих. Современные автоматизированные системы облегчают поиск и хранение информации, оформление документов самого разного характера, документооборот.
Автоматизация имеет и огромное социальное значение. Так как автоматизация коренным образом меняет характер труда человека (переводит его из области физического в область интеллектуального), то это требует от человека получения соответствующего образования, непрерывного повышения своей квалификации, чтобы не отставать от технического прогресса. Значит, автоматизация побуждает человека совершенствоваться, т.е. она улучшает как самого человека, так и человеческое общество в целом.
Автоматика и кибернетика. Основные этапы развития.
С появлением и развитием автоматических систем, возникла новая отрасль науки – автоматика.
Автоматика – это прикладная научная дисциплина, изучающая принципы построения и методы расчёта автоматических систем, в том числе и автоматических систем управления различными технологическими процессами. Это сравнительно молодая наука. Она сформировалась окончательно в 40-е годы XX века, хотя зародилась в глубокой древности и прошла в своём развитии 5 этапов:
Первый этап начинается примерно в 1-ом веке до н.э. в Древней Греции. Выдающийся учёный античности Герон Александрийский не только сам создавал в это время различные автоматы, но и описал все известные ему достижения механики прошлых лет в нескольких книгах. Самыми известными автоматами Герона являются автомат для продажи святой воды, автомат для открывания дверей храма и др. Но все создаваемые в тот период времени автоматы предназначались в основном для религиозных и развлекательных целей и никакого производственного значения не имели, т.к. самого машинного производства в современном его понимании ещё не существовало. Производство было кустарным, ремесленным.
Второй этап в развитии автоматики начинается примерно в середине XVIII века. Человек в это период времени овладел энергией пара и создал для облегчения физического труда первый тепловой двигатель, работающий на энергии пара - паровую машину. На базе паровых машин во второй половине XVIII века начинает развиваться фабрично-машинное производство, и появляются автоматы промышленного назначения. Так, например, русский теплотехник Иван Иванович Ползунов для регулирования уровня воды в котле своей паровой машины сконструировал первый автоматический регулятор, в котором использовал принцип регулирования, являющийся до настоящего времени основополагающим при создании автоматических систем в самых различных областях человеческой деятельности (принцип регулирования по отклонению). Затем появился регулятор числа оборотов выходного вала паровой машины, впоследствии получивший название «Регулятор Уатта» по имени своего изобретателя англичанина Джеймса Уатта, регулятор давления пара в котле паровой машины и другие автоматические устройства для производственных целей. Недостатком данного периода развития автоматики было то, что паровой двигатель, облегчавший тяжёлый физический труд человека, был очень громоздким, взрывоопасным, да и саму энергию пара невозможно было передавать на расстояние, т.е. человек всё ещё вынужден был присутствовать в неблагоприятной производственной зоне.
Третий этап в развитии автоматики начинается во второй половине XIX века в связи с открытием электричества. Постепенно человек овладел новым видом энергии – энергией электрической, создал электродвигатель, более компактный и удобный в работе, научился передавать электрическую энергию на расстояние. Всё это способствовало гигантскому техническому прорыву человечества, технической революции XIX века в самых различных областях. Но в это время всё ещё нет теории создания новых автоматических систем, и поэтому попытки многих изобретений заканчиваются неудачами.
Четвёртый период в развитии автоматики начинается с появления в конце XIX века первой теоретической работы по автоматике, которую написал выдающий русский математик И. А. Вышнеградский. Его книга называлась «Об общей теории регуляторов». В ней были изложены методы расчёта автоматических регуляторов, гарантирующие их долговременную устойчивую работу. Эта книга фактически заложила основы современной базовой науки в области создания автоматических систем управления, которая называется «Теория автоматического управления» (сокращённо ТАУ). Очень большой вклад в развитии теории новой науки автоматики сыграли выдающиеся русские учёные-математики А. М. Ляпунов, П. Л. Чебышев, Н. Е. Жуковский и многие другие. Но в этом период времени автоматика не сформировалась в единую новую науку. По-прежнему параллельно развиваются два направления:
первое – теория автоматического управления (ТАУ) и этим занимались, в основном, математики;
второе – создание автоматических технических средств, чем занимались инженеры-механики.
Пятый этап в развитии автоматики начинается в 40-е годы XX века, когда происходит наконец слияние науки и практики создания автоматических систем в новую науку автоматику, занимающуюся разработкой систем автоматического управления техническими объектами на производстве.
В этот период времени начинают открываться вузы по подготовке специалистов по автоматике, выпускается большое количество учебников и научной литературы, автоматические системы внедряются в самые различные производственные процессы.
Одновременно в начале 40-х годов XX века в СССР, Англии и США начинаются работы по созданию первых электронно-вычислительных машин (ЭВМ).
В 1948 году американский ученый-математик Норберт Винер, который занимался разработкой систем математического обеспечения для первых ЭВМ, опубликовал книгу под названием «Кибернетика или управление и связь в живых организмах и машинах», а несколькими годами позже – книгу «Кибернетика и общество». В этих книгах он впервые обратил внимание на общность законов и принципов управления в различных по физической природе объектах. Слово «Кибернетика» в переводе с греческого означает «Искусство управления», и происходит оно от греческого слова «кибернетес» - рулевой, управляющий кораблём. Этот же термин в работах греческого мыслителя Платона употреблялся и в смысле управления государством. Своими книгами Норберт Винер фактически провозгласил появление новой науки кибернетики, как науки об общих законах управления объектами разной физической природы: техническими, биологическими и социальными.
Постепенно с развитием электроники, первые ЭВМ, пройдя несколько поколений развития, превратились в современные компактные компьютеры, которые к концу XX века стали основным техническим средством управления в самых различных областях человеческой деятельности. Появились компьютерные сети, сеть ИНТЕРНЕТ, которые облегчили построения сложных систем автоматического управления с разветвлённой иерархической структурой. Всё это подтвердило гениальное предвидение Н. Винера об общности принципов управления в системах разной физической природы. Поэтому можно считать, что с конца XX века наука автоматика, возникшая как наука создания автоматических систем управления техническими объектами, вступила в новый шестой этап своего развития, как часть науки кибернетики, как один из её разделов, получивший название техническая кибернетика. Кроме неё в состав кибернетики входят также биологическая кибернетика, изучающая законы управления в живых организмах (это и медицинская кибернетика, и бионика), и социальная кибернетика, занимающаяся изучением законов управления в человеческом обществе, в социуме (это и экономическая кибернетика, например, управление финансовыми потоками, и управление персоналом – менеджмент).
Без автоматизации, автоматики и кибернетики невозможен в настоящее время технический прогресс человеческого общества (наглядным примером является современная Япония и другие высокоразвитые страны).
Итак, подведём итог. Кибернетика это наука об общих законах управления объектами различной физической природы, а именно: техническими объектами, биологическими объектами социальными объектами (человеческим обществом). Управлением, в кибернетическом смысле этого слова, называется воздействие на какой-либо объект, направленное на достижение определенной цели. Цели управления могут быть весьма разнообразными и зависят от объекта управления. Например: поддержание температуры в печи на постоянном заданном значении; изготовления детали заданной конфигурации и определёнными размерами; получение продукции с минимальной себестоимостью и т.п. Очень часто целью управления является поддержание параметров какого-либо объекта на постоянных значениях, заданных технологическим регламентом того процесса, который протекает в данном объекте, или изменение параметров этого процесса по какому-либо закону. Такая цель управления называется регулированием, а системы автоматического управления, которые решают задачи регулирования, называются системами автоматического регулирования (САР) или автоматическими системами регулирования (АСР). Т.о. системы автоматического регулирования – это одна из разновидностей систем автоматического управления (САУ), которые могут решать и другие, более сложные задачи управления.
Основные понятия и определения
теории автоматического управления (ТАУ)
Любой технологический процесс, в котором требуется некоторые параметры регулировать, называется - объектом регулирования (ОР) или, более обобщённо, объектом управления (ОУ). Изображаются объекты управления так:
ОУ
Параметр (или параметры, если их несколько), который нужно регулировать в данном объекте называется регулируемым параметром или выходной величиной и обозначается Хвых.
ОУ
В реальных производственных условиях на объект управления практически постоянно действуют какие-либо факторы, которые нарушают режим работы данного объекта, то есть вызывают отклонения регулируемого параметра (или нескольких параметров) от заданного значения (значений). Такие нежелательные факторы называются возмущениями. Их обозначают Хвоз (Хвоз1, Хвоз2, Хвоз3). Мы будем рассматривать простейший объект управления с одной регулируемой величиной, но и на неё может действовать несколько возмущений.
Пунктирные линии - каналы влияния возмущений на выходную (регулируемую) величину называются каналами возмущения.
Хвоз2
ОУ
Хвых
Хвоз3
Хвоз1
Возмущения бывают внешние (они приходят в объект с потоками вещества или энергии) и внутренние (они появляются в самом объекта в процессе его эксплуатации). И те, и другие можно подразделить на основные (т.е. возмущения, наиболее сильно влияющие на выходную величину) и второстепенные (те, которые либо слабо влияют на Хвых, либо которые можно заранее стабилизировать). При создании систему автоматического управления объектом необходимо выявить все основные возмущения.
Т.к. на объект действуют возмущения, которые вызывают отклонения регулируемого параметра Xвых от его заданного значения Xзад, то возникает необходимость из числа входных параметров объекта выбрать такой параметр, воздействуя на который можно скомпенсировать отклонение Хвых, вызванное возмущением (или возмущениями), то есть вернуть Хвых в заданный режим. Такой параметр называют регулирующим воздействием и обозначают Хрег. Обычно в качестве регулирующих воздействий выбирают расходы входных материальных или энергетических потоков, подаваемых, согласно технологии, в данный объект управления, т.к. именно расходы проще всего изменять технически.
Хвых
ОУ
Хрег
Если это воздействие осуществляется вручную - то регулирование называется ручным. Если воздействие осуществляется с помощью технических устройств, то оно будет называться автоматическим. Само же техническое устройство, осуществляющее регулирование называется регулирующим устройством или автоматическим регулятором (АР).
Хвозi
Хвых
Хзад
ОУ
Хрег
АР
Вместе возмущающие воздействия и регулирующее воздействие называются входными величинами объекта и могут иметь общее обозначение Хвхi.
Система регулирования – это объект регулирования в совокупности с автоматическим регулятором и другими функциональными элементами (датчиком для измерения выходной величины, задатчиком для введения в систему её заданного значения Хзад, элементом сравнения для определения величины отклонения текущего значения Хвых от заданного Хзад, исполнительным устройством для оказания непосредственного воздействия на объект и др.). На рисунке выше показаны только основные функциональные элементы любой системы управления: объект и регулятор.
Принципы управления
Существует 3 принципа управления (а значит и регулирования, как одной из частных задач управления):
Принцип управления по возмущению (принцип Понселе).
Принцип управления по отклонению (принцип Ползунова).
Комбинированный принцип.
В первой части лабораторной работы рассмотрим теорию принципа управления по возмущению и применение этого принципа к задаче автоматического регулирования уровня жидкости в напорном баке.