Системы управления исполнительными механизмами

системы. В частности, при синтезе систем управления роботами часто используют кинематическую развязку движений и принцип автономного управления координатами линейных и угловых перемещений схвата манипулятора. При синтезе электромеханических СУИМ доминируют принципы подчиненного регулирования координат (вложенных друг в друга контуров регулирования) и последовательной коррекции динамических свойств контуров. Таким образом, при таком подходе последовательно решаются задачи структурного и параметрического синтеза регуляторов.

Третий подход основан на синтезе оптимальных СУИМ в смысле заданного критерия качества управления при заданных ограничениях на ресурсы управления. При таком подходе задается формальный критерий качества, например интегральный квадратичный функционал, и решается задача его минимизации или максимизации. Результат синтеза – структура и параметры устройства управления (регулятора – в одноконтурных системах), соответствующие требуемому качеству управления. Этот подход применяется при синтезе СУИМ, в частности методами аналитического конструирования оптимальных регуляторов (АКОР), синтезе модальных регуляторов состояния, апериодических регуляторов состояния и т.п.

Системы управления, синтезированные на основе двух пер-

вых подходов, часто называют системами со стабилизируемыми показателями качества управления. Системы управления, синте-

зированные на основе третьего подхода, называют системами с оптимизируемым показателем качества управления.

Анализ синтезированной СУИМ. Для целей анализа ОУ представляется в полноразмерном описании, т.е. в том виде, в каком он был до структурно-параметрической декомпозиции (с учетом имеющихся нелинейностей, упругодиссипативных свойств кинематики, возможных изменений параметров, реальных ограничений координат и т.п.).

Результат анализа должен дать ответ на вопрос, соответствует ли синтезированная СУИМ требуемому качеству (критериям качества).

81

Если система не соответствует требуемому критерию, то осуществляют корректировку ММ ОУ, критерия качества (функционала) и процедуры синтеза СУИМ. При этом возврат к задаче синтеза может быть неоднократным.

Задача анализа СУИМ предполагает в общем случае решение нескольких подзадач:

–определение ММ СУИМ, отражающей ее доминирующие свойства с учетом допущений, принятых на этапе синтеза СУИМ;

–оценка устойчивости СУИМ;

–оценка показателей качества при заданных аддитивных воздействиях на нее;

–оценка чувствительности СУИМ к вариациям еепараметров;

–оценка экономической, эксплуатационной эффективности СУИМ, показателей надежности и др.

Анализ ведется теми же частотными или временными методами исследования систем, что и синтез. Кроме того, завершением этапа анализа является экспериментальное исследование СУИМ. Обычно при анализе СУИМ используется:

–математическое моделирование (цифровое, аналоговое, цифроаналоговое);

–полунатурное моделирование (симбиоз математической модели и физической установки);

–натурное моделирование (с применением моделей-макетов на основе применения критериев подобия модели и объекта, критериальных уравнений);

–экспериментальные исследования СУИМ.

Впрактике исследования и проектирования сложных промышленных СУИМ задачи синтеза и анализа решаются, как правило, параллельно, поскольку сам процесс проектирования обычно носит итерационный характер, требующий неоднократной коррекции и математической модели ОУ, и цели управления, и допустимых ресурсов управления, и решения задачи выбора элементной базы СУИМ и т.п.

82

3.2.Стадии и этапы проектирования

Воснове проектирования СУИМ лежит системный подход. При системной разработке идут, как правило, от общего к частному (нисходящее проектирование).

Основные положения системного подхода можно свести

кследующим рекомендациям:

1.Четкое формулирование цели и задач при проектировании СУИМ, назначения СУИМ в общей структуре управления технологическим процессом.

2.В структуре управления выделяются подсистемы, отдельные элементы и устанавливаются связи между ними. Подсистемы выделяются по однородности физической природы технологического процесса (подсистемы регулирования температуры, давления, расхода, скорости, положения рабочего органа и т.п.). Элементы системы – отдельные механизмы, электроприводы, силовые преобразователи энергии и др. Определяются контролируемые ко-

ординаты (переменные), возможные возмущающие, задающие

иуправляющие воздействия. При этом объект управления может рассматриваться как «черный ящик» во взаимодействии с окружающей средой.

3.Применение иерархического принципа управления, при котором уставка верхнего уровня обязательна для исполнения нижними уровнями и не подлежит коррекции с их стороны.

4.Максимальное использование типовых (инвариантных) компонентов СУИМ (комплектных электроприводов, микропроцессорных контроллеров, датчиков с унифицированными выходными сигналами и т.п.). Индивидуальная разработка допускается лишь для уникальных СУИМ.

5.Комплексное проектирование СУИМ, при котором осуществляется увязка, формирование всех ее компонентов (технического, программного, информационного и др.) в соответствии с поставленной целью управления.

Разработка СУИМ выполняется на основе стандартов, норм

иправил, где указываются основные положения, правила органи-

83

зации работ по созданию, функционированию и развитию этих систем.

При разработке СУИМ проектировщик должен руководствоваться следующей нормативной документацией:

–ГОСТ, ОСТ (государственные и отраслевые стандарты);

–СП (стандарты предприятий);

–СНиП (строительные нормы и правила);

–ПУЭ (правила устройств электроустановок);

–ПТЭЭП (правила технической эксплуатации электроустановок потребителей);

–МПОТ (межотраслевые правила охраны труда);

Правила пожарной безопасности и другие нормативные документы.

Основное требование – обязателен иерархический принцип (все нижние по ветви нормативные документы не должны противоречить вышестоящим документам).

Любая СУИМ является компонентом АСУТП. В связи с этим при разработке СУИМ руководствуются положениями ряда ГОСТов, регламентирующих стадии и этапы создания и развития АСУТП, а также ГОСТов на разработку конструкторской документации. Специальных стандартов на разработку собственно СУИМ нет.

Согласно ГОСТ 34.601–90 «Автоматизированные системы. Стадии создания» [3] процесс создания АСУТП представляет собой совокупность упорядоченных во времени, взаимосвязанных, объединенных в стадии и этапы работ, выполнение которых необходимо и достаточно для создания системы, соответствующей заданным требованиям. Различают следующие стадии и этапы создания АСУТП:

1. Стадия «Формирование требований к АСУТП» преду-

сматривает выполнение следующих этапов:

–обследование объекта и обоснование необходимости создания АСУТП;

–формирование требований заказчика к АСУТП;

84

– оформление отчета о выполненной работе и заявки на разработку АСУТП.

Проводится подготовка исходных данных для формирования требований к АСУТП (характеристика объекта автоматизации, описание требований к системе, допустимые затраты на разработку, ввод в действие и эксплуатацию, эффект, ожидаемый от системы, условия создания и функционирования системы).

2. Стадия «Разработка концепции АСУТП» заключается

ввыполнении следующих этапов:

–изучение объекта автоматизации;

–проведение необходимых научно-исследовательских работ;

–разработка вариантов концепции АСУТП и выбор варианта концепции АСУТП в соответствии с требованиями заказчика.

3.Стадия «Техническое задание» (ТЗ) заключается в единственном, но чрезвычайно ответственном этапе – в разработке и утверждении технического задания на создание АСУТП.

При этом проводится разработка, оформление, согласование и утверждение ТЗ на создание АСУТП, а при необходимости – нескольких ТЗ на части АСУТП.

4.Стадия «Эскизный проект» состоит из следующих этапов:

–разработка предварительных проектных решений по системе и ее частям;

–разработка документации на АСУТП и ее части.

На этапе «Разработка предварительных проектных решений по системе и ее частям» определяются:

–функции АСУТП;

–функции и цели подсистем;

–состав программных комплексов и отдельных задач;

–концепция информационной базы, ее укрупненная структура;

–функции системы управления;

–состав комплекса технических средств;

–функции и параметры основных программных средств и ресурсов АСУТП.

85

На этапе «Разработка документации на АСУТП и ее части»

проводится разработка, оформление, согласование и утверждение документации в объеме, необходимом для описания полной совокупности принятых проектных решений и достаточном для выполнения работ по созданию АСУТП.

5.Стадия«Технический проект» состоит из следующихэтапов:

–разработка проектных решений по системе и ее частям;

–разработка документации на АСУТП и ее части;

–разработка и оформление документации на поставку изделий для комплектования АСУТП и технических требований (технических заданий) на их разработку;

–разработка заданий на проектирование в смежных частях проекта.

На этапе «Разработка проектных решений по системе и ее частям» производится разработка общих решений:

–по системе и ее частям;

–по функционально-алгоритмической структуре системы;

–по функциям персонала и организационной структуре;

–по структуре технических средств;

–по алгоритмам решения задач и применяемым языкам;

–по организации и ведению информационной базы;

–по системе классификации и кодирования информации;

–по программному обеспечению.

6.Стадия «Рабочий проект (рабочая документация)» вклю-

чает в себя следующие этапы:

–разработка рабочей документации на АСУТП и ее части;

–разработка и конфигурация программного обеспечения.

На этапе «Разработка рабочей документации на АСУТП и ее части» осуществляется разработка рабочей документации, содержащей все необходимые и достаточные сведения для обеспечения выполнения работ по вводу АСУТП в действие и для ее эксплуатации, а также для сохранения уровня эксплуатационных характеристик системы в соответствии с принятыми проектными решениями; оформление, согласование и утверждение рабочей документации на АСУТП.

86

На этапе «Разработка и конфигурация программного обеспе-

чения» проводится разработка прикладного программного обеспечения, выбор, адаптация и привязка программных средств, разработка программной документации.

7.Стадия «Ввод в действие» состоит из следующих этапов:

–подготовка объекта автоматизации к вводу АСУТП в дей-

ствие;

–подготовка персонала;

–комплектация АСУТП поставляемыми изделиями (программными и техническими средствами, программно-техничес- кими комплексами, информационными изделиями);

–строительно-монтажные работы;

–пусконаладочные работы;

–проведение предварительных испытаний;

–проведение опытной эксплуатации;

–проведение приемочных испытаний.

8.Стадия «Сопровождение АСУТП» включает в себя:

–выполнение работ в соответствии с гарантийными обязательствами;

–послегарантийное обслуживание.

На этих этапах осуществляются работы по устранению недостатков, выявленных при эксплуатации АСУТП в течение установленных гарантийных сроков; выявляются отклонения фактических эксплуатационных характеристик АСУТП от проектных значений, устанавливаются причины этих отклонений; устраняются выявленные недостатки и обеспечивается стабильность эксплуатационных характеристик АСУТП; вносятся необходимые изменения в документацию на АСУТП.

Стадии и этапы разработки проектно-конструкторской документации в соответствии с перечисленными стадиями разработки СУИМ регламентируются стандартами [3–6] и рядом других. Разработка проектно-конструкторской документации проводится в следующие стадии:

87

Техническое предложение – стадия, на которой проводится анализ технического задания заказчика, анализ различных вариантов существующих и возможных новых инженерных решений, патентные исследования. В результате разрабатывается документация, содержащая техническое и технико-экономическое обоснование разработки.

Эскизный проект – стадия, на которой вырабатываются принципиальные инженерные и конструктивные решения, дающие общие представления об устройстве и принципе работы изделия, а также данные, определяющие его назначение и основные параметры.

Технический проект – стадия, на которой разрабатывается совокупность конструкторских документов, содержащих окончательные технические решения, дающие полное представление об устройстве разрабатываемого изделия.

Рабочая конструкторская документация – разработка кон-

структорской документации, предназначенной для изготовления опытного образца или опытной партии изделий.

На каждой из стадий предусмотрена разработка документов, фиксирующих результат работы и определяющих дальнейший ход разработки.

Заметим, что разработка технического задания не является стадией разработки конструкторской документации, но является неотъемлемой частью (стадией) процесса проектирования.

Подробные рекомендации по созданию и развитию АСУТП изложены в нормативной документации [1–6].

88

4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СУИМ

Проектирование и исследование характеристик (показателей качества) спроектированных СУИМ, решение задач синтеза и анализа СУИМ базируется на знании математических моделей и объектов, а также устройств управления.

Математические модели (ММ) технических средств и систем автоматизации весьма многообразны и могут быть достаточно сложными. В частности, на сложность ММ электромеханических СУИМ влияет множество факторов: тип электропривода, тип СПЭ, тип электродвигателя, число, компоновочные схемы размещения приводов механических подсистем и конструкции передаточных механизмов, принцип и техническая реализация управления и др.

Между тем для подавляющего большинства элементов СУИМ математические модели уже разработаны, причем в разных формах и с разной степенью детализации (с различными допущениями), и подробно рассматриваются в соответствующих дисциплинах: механике, электротехнике, электромеханике, термодинамике и т.п. Ниже рассмотрены наиболее распространенные ММ основных элементов СУИМ.

СУИМ – динамические системы, содержащие как минимум один вход и один выход и обеспечивающие преобразование входных (задающих и возмущающих) воздействий в выходные (управляемые) переменные. В этом преобразовании может участвовать достаточно большое число динамических элементов, называемых звеньями [13–16]. Характерной особенностью звеньев систем автоматического управления (САУ) является однонаправленность, т.е. отсутствие или ничтожное влияние выходных сигналов на входные. Данное обстоятельство позволяет осуществить декомпозицию ОУ и СУИМ в целом на ряд достаточно простых динамических звеньев, описываемых хорошо известными в математике ме-

89

тодами. При этом физическая природа входных и выходных переменных звеньев может быть различной. Например, входными (управляющими) воздействиями электродвигателя постоянного тока являются напряжения на обмотках якоря и возбуждения, а выходными переменными – вращающий момент на валу двигателя и скорость его вращения, т.е. осуществляется преобразование электрической энергии в механическую.

Для составления уравнений элементов СУИМ используют фундаментальные законы природы, описываемые уравнениями Ньютона, Лагранжа, Ома, Кирхгофа и т.п. При этом для описания элементов СУИМ используют различные формы:

–обыкновенные дифференциальные уравнения (для объектов

ссосредоточенными параметрами) или дифференциальные уравнения в частных производных (для объектов с распределенными параметрами); в основе их составления лежат функциональные схемы той или иной степени детализации, в том числе схемы замещения;

–операторные уравнения, передаточные функции и передаточные матрицы, т.е. функции комплексной переменной s или оператора p Лапласа (в непрерывных СУИМ), а также передаточные функции комплексной переменной z (в дискретных СУИМ); в основе их составления лежат дифференциальные уравнения или схемы замещения, а результатом их составления являются структурные схемы;

–векторно-матричные уравнения; в основе их составления

лежат дифференциальные уравнения или структурные схемы, а результатом их составления являются структурные схемы пространства состояний.

Для описания и анализа СУИМ могут использоваться также сигнальные графы, частотные характеристики и диаграммы на их основе и др.

К основным элементам СУИМ относят исполнительные механизмы, их приводы, силовые преобразователи энергии, датчики первичной информации, блоки связи (информационные преобра-

90