Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Управление системами и процессами в машиностроении. Учебное пособие
.pdf
1.3.2. Классификация СУ по методу управления
По методу управления СУ подразделяются на два больших класса:
1) Обыкновенные (несамонастраивающиеся) СУ
Эти системы относятся к разряду простых СУ, не изменяющих свою
структуру в процессе управления. Они наиболее разработаны и широко
применяются в литейных и термических цехах. Обыкновенные СУ подразделяются на три
подкласса: 1) разомкнутые, 2) замкнутые, 3) комбиниро-
ванные.
2) Самонастраивающиеся (адаптивные) СУ
В этих системах при изменении внешних условий или характеристик
объекта регулирования происходит автоматическое (заранее не заданное)
изменение параметров управляющего устройства за счет изменения структуры СУ или даже введения новых элементов.
В самонастраивающихся системах при изменении внешних условий
или характеристик
объекта управления происходит автоматическое (по заранее не заданной программе) изменение параметров управляющего
устройства или структуры ее элементов. Таким образом, обеспечиваются
устойчивая работа системы и поддержание регулируемой величины на заданном оптимальном уровне.
Адаптивные системы должны не только приспосабливаться ко всем
изменениям внешних условий и характеристик объекта, но и функционировать
нормально даже при наличии неполадок или отказов отдельных
элементов, создавая новые цепи взамен нарушенных. Системы с самонастройкой структуры можно заставить самосовершенствоваться, «приобретать опыт» путем быстрого опробования нескольких вариантов, отбора и
«запоминания» лучшего из них.
В современных адаптивных системах применяются кибернетические
системы, системы «искусственного разума». Они способны в доли
секунды
выбрать наиболее оптимальное управленческое решение. При этом производится анализ множества возможных вариантов.
1.3.3. Классификация СУ по иерархическому принципу
В зависимости от числа иерархических уровней и разделения функций управления по этим уровням СУ принято подразделять на одноуровневые и многоуровневые.
Одноуровневые СУ
Системы управления, имеющие только один уровень
управления,
получили название одноуровневых СУ.
11
Примерами таких систем могут служить копировальные или кулачковые системы управления. Профиль копира или кулачка определяет движение исполнительного органа станка.
Многоуровневые СУ
Такие СУ имеют несколько уровней управления, каждый из которых
выполняет конкретные функции.
1.3.4. Классификация СУ по функциональному признаку
По функциональному признаку все системы управления подразделяются на
четыре класса:
1) системы для координации работы механизмов;
2) системы регулирования параметров технологических процессов;
3) системы автоматического контроля;
4) системы автоматической защиты и блокировки.
Системы, предназначенные для координации отдельных механизмов
и узлов оборудования или оборудования в целом, являются системами авто-
матического управления (САУ). САУ обеспечивают автоматическое управление объектом (группой объектов).
Замкнутые САУ
, работающие по принципу отклонения, называются
системами автоматического регулирования (САР).
Их отличительной чертой является наличие замкнутого контура прохождения сигналов, т.е. наличие канала обратной связи, по которому передается информация о состоянии регулируемой величины на вход элемента
сравнения.
Системы автоматического регулирования (САР) технологических
процессов обеспечивают поддержание регулируемой величины (подачи
частоты вращения шпинделя, шероховатости обрабатываемой поверхности
и т.п.) на заданном уровне или изменение ее по заданной программе.
САР предназначены для решения следующих задач:
- стабилизации регулируемой величины (стабилизирующая САР);
- изменения регулируемой величины по известной программе (про-
граммная САР);
- изменения регулируемой величины по неизвестной программе (сле-
дящая САР).
Системы автоматического
контроля (САК) содержат методы и
средства для получения информации о текущих значениях параметров
технологических процессов (температуре в зоне резания, значениях крутящих моментов, уровне вибрации технологической системы и т.п.) без
непосредственного участия человека.
Системы автоматической защиты (САЗ) и блокировки (САБ)
предотвращают возникновение аварийных ситуаций в работе оборудова
-
,
12
ния при установившемся режиме. Кроме того, применение этих систем
позволяет исключить возможность непреднамеренного (или намеренного)
изменения параметров технологического процесса.
1.3.5. Классификация СУ по информационным признакам
Удобнее всего классифицировать СУ по информационным признакам, включающим источники и носители информации, вид и методы переработки ее.
Количество информации, их структура в определенной
степени определяют качество работы СУ. Чем больше используется каналов информации, тем качество работы СУ выше, шире ее функциональные возможности.
В зависимости от количества каналов информации системы управле-
ния подразделяются на следующие виды:
Разомкнутые (жесткие) СУ
Это системы, в которых используется только один канал информа-
ции, несущий в
себе задающую (исходную) информацию. В таких системах управления отсутствуют контроль о выполнении заданной программы
и обратная связь. Чаще всего по разомкнутому циклу работают СУ с нерегулируемыми приводами (исключение составляют шаговые СУ). В разомкнутой системе используется один поток информации. Задающая информация перерабатывается в удобную форму для управления приводом
, выполняющим тот или иной элементарный цикл технологического процесса.
На технологический процесс действуют также возмущения, информация о
которых не используется в разомкнутой системе управления. Такую структуру имеют СУ с шаговыми исполнительными механизмами и СУ, работающие от копиров, кулачков и упоров.
Использование только одного канала информации значительно упро-
щает
конструкции СУ. Однако нормальное функционирование такой СУ
требует высокого качества изготовления отдельных ее элементов.
Для таких систем характерно отсутствие контроля о ходе технологического процесса, состоянии объекта управления (оборудования), а следовательно, возможности влиять на качество выходных параметров. Какие
бы отклонения от заданных параметров объекта управления, заданных режимов резания не
возникали, в таких СУ переналадка или регулировка не
происходит.
Такие системы управления получили название жесткие (непереналаживаемые) СУ.
На рис. 1.3 представлена блок-схема разомкнутой (жесткой) СУ.
Рис. 1.3. Блок-схема разомкнутой (жесткой) системы управления
13
Замкнутые (гибкие) СУ
Обширный класс составляют замкнутые СУ, в которых для снижения
технологических требований к отдельным элементам и повышения качества
работы СУ применяют обратную связь. Следует помнить, что внешнее возмущения вызывают нарушение предварительной настройки технологической системы и задающая информация искажается.
В этом случае используется не один, а
два (или более) канала: канал
задающей информации и канал обратной связи. Для контроля правильности исполнения команд, задаваемых задающим устройством, применяются
специальные датчики (датчики обратной связи). Информация обратной
связи может содержать сведения о фактической скорости перемещения рабочего органа, его положении, об окончании цикла или отдельных его элементов и другие
сведения о протекании технологического процесса. Системы управления, работающие на основе совместного использования задающей информации и информации обратной связи, называются замкнутыми СУ. Сопоставление задающей информации с информацией обратной
связи осуществляется в сравнивающем устройстве, на выходе которого
вырабатывается команда, необходимая для управления приводом. Качество работы замкнутой СУ, в
частности точность отработки заданной программы, выше, чем в разомкнутой при некотором усложнении ее конструкции.
В замкнутых СУ обычно используются управляемые приводы. Структуру с замкнутой схемой управления имеют большинство систем программного управления и копировальные СУ.
Для таких систем характерен контроль за ходом технологического
процесса, состоянием объекта управления, всех
его блоков и узлов. В том
случае, если значение действительного параметра отклоняется от его заданного значения, происходит поднастройка или подналадка системы.
На рис. 1.4 представлена блок-схема замкнутой (гибкой) системы
управления.
ВХОД ВЫХОД
Объект
управления
Обратная связь
Рис. 1.4. Блок-схема замкнутой (гибкой) системы управления
Чем больше каналов информации используется в системе управле-
ния, тем выше качество ее работы, тем эффективнее процесс управления.
14
Для получения оптимального управления течением технологического процесса необходимо использовать два и более канала дополнительной информации. Дополнительной информацией может быть информация о величине силы резания, об изменении припуска, твердости материала заготовки, износе инструмента и др. Всякое изменение регулируемой величины в замкнутой схеме вызывает также непрерывное изменение других
свя-
занных с ней параметров.
Чем больше каналов информации в системе управления (СУ), тем
выше качество ее работы.
Системы управления, использующие два и более канала дополнительной информации и имеющие устройство для коррекции управляющего
сигнала, можно отнести к классу приспосабливающихся СУ самонастраивающиеся, самоорганизующиеся и самообучающиеся системы.
Самонастраивающиеся системы
имеют постоянную структуру, а в
процессе работы изменяются лишь управляющиеся воздействия или параметры (коэффициенты передаточных функций).
В самоорганизующихся системах во время работы изменяются не
только управляющие воздействия и параметры, но и структура СУ.
Самообучающиеся системы характеризуются изменением в процессе
работы алгоритма, по которому они построены.
Приспосабливающиеся СУ еще не реализованы
для управления технологическим оборудованием (за небольшим исключением самонастраивающихся СУ), применяемым в системах с программным управлением,
поэтому они рассматриваться не будут.
Вся информация, как задающая, так и от обратной связи, может быть
выражена либо в виде аналога (уровня напряжения, величины силы тока
и др.), либо последовательностью импульсов. В зависимости
от вида информации, которая используется системами, последние делят на непрерывные, импульсные и смешанные СУ.
В непрерывных СУ информация представлена в виде непрерывной
величины. Так, регулируемая величина (например, скорость перемещения
или величина перемещения рабочего органа) выражается амплитудой или
сдвигом фазы напряжения.
В импульсных СУ информация выражена последовательностью импульсов. Различают
три вида импульсной информации с модулированием:
1) по амплитуде (амплитудно-импульсная модуляция (АИМ)), 2) длитель-
ности (ширине) импульсов (широтно-импульсная модуляция (ШИМ)),
3) частоте (частотно-импульсная модуляция (ЧИМ)).
15
1.3.6. Основные термины в области систем управления
В табл. 1.1 приведены наиболее распространенные термины, применяемые в области систем управления.
Основные термины в области систем управления
Обозначение Верхний
Русское Международное
Системы и оборудование управления
ОСУ HNC X
ЧПУ NC X
Компьютерное CNC X
Компьютерное SNC X
Компьютерное VNC X
Компьютерное DNC
PC X
ЛВС LAN X4 – X
MAP
АДУ AC X
уровень
1
1
1
1
1
X
4
(X3, X2)
1
1
Таблица 1.1
Определение
Оперативная система ЧПУ с ручным
заданием программы на пульте
управления (на клавишах, штекерах
или другим способом)
Числовое программное управление по
программе, заданной в кодированном
виде (унитарном коде или
алфавитно-цифровом)
Система управления микроЭВМ или
микропроцессором и программной
реализацией алгоритмов управления
Устройство ЧПУ с памятью
(оперативной и архивной)
Устройство ЧПУ с голосовым
управлением
Система прямого управления группой
станков от общей ЭВМ, осуществляющей хранение программ и распределение их по запросам от устройств
управления станками
Персональная или профессиональная
ЭВМ
Локальная вычислительная сеть
1
Промышленный автоматизированный
протокол ЛВС (протокол обмена)
Адаптивное управление режимами
резания или компенсацией
погрешностей
Производственные системы
Совокупность оборудования с ЧПУ
(ПР, МРС, БТС, АТСС) с управлением
ГПС FMS X2, X
от ЭВМ, обладающая свойством
3
автоматизированной переналадки при
производстве изделий произвольной
номенклатуры в установленные сроки
16
Продолжение табл. 1.1
Обозначение Верхний
Русское Международное
ГПМ FMM X
ГАЛ X
ГАУ X2
ГАЦ X
Информационные системы
САПР CAD
АСУТП CAM X3, X
САК CAQ X3, X
уровень
1
2
3
X2, X3,
X4
Многоцелевой станок с накопителем
заготовок, магазином инструментов и
автоматическим выполнением всех
функций
Гибкая автоматическая линия ГПС, в
которой оборудование расположено по
принципу поточного производства
Гибкий автоматизированный участок
ГПС, в которой предусмотрено изменение последовательности использования технологического оборудования
Гибкий автоматизированный цех
ГПС для изготовления изделий (узлов)
заданной номенклатуры, включающая
в себя несколько ГАУ или ГАЛ с общей транспортно-складской системой
и объединенных ЛВС
Система автоматизированного
проектирования с помощью ЭВМ
Компьютерная система технологиче-
4
ской подготовки производства
Компьютерная система
4
автоматического контроля продукции
Определение
Система управления совокупность средств, стремящихся обеспечить группе объектов, объединенных общностью задач, достижение определенной цели. Применительно к задачам производства объектами управ-
ления являются технологические машины, а целью их работы выполнение заданных технологических процессов.
Числовое программное управление (ЧПУ) автоматическое управление путем передачи информации в форме чисел
от программоносителя к
исполнительному органу, определяющее его движение и выполнение других функций. Устройство числового программного управления (УЧПУ)
устройство, выдающее управляющие воздействия на исполнительные органы станка в соответствии с программой и информацией о состоянии
управляемого объекта.
Гибкая производственная система (ГПС) совокупность оборудования с ЧПУ, роботизированных технологических комплексов (РТК), гибких
производственных модулей, отдельных единиц технологического оборудования и систем обеспечения их функционирования, обладающая свойством
17
автоматизированной переналадки при производстве изделий произвольной
номенклатуры.
Гибкий производственный модуль (ГПМ) производственная единица, состоящая из одного или нескольких элементов технологического
оборудования с ЧПУ, выполненная на базе мини- или микроЭВМ, способная функционировать автономно (по командам производственного персонала или командам от управляющего вычислительного комплекса). Гибкий
технологический модуль, как правило
, оснащен промышленными роботами (ПР) для подачи и удаления обработанных изделий и инструментов, автоматизированными устройствами (датчиками) измерения и контроля в
процессе обработки, диагностики отказов и восстановления работоспособности, сбора и удаления отходов производства.
Гибкая автоматизированная линия (ГАЛ) ГПС, в которой технологическое оборудование расположено в заданной последовательности осуществления операций, т.е. по принципу поточного производства. ГАЛ –
автоматическая линия, в которой допускается возможность переналадки
при изменении номенклатуры выпускаемых изделий.
Гибкий автоматизированный участок (ГАУ) ГПС, функционирующая со свободным технологическим маршрутом обработки деталей. Допускается несколько вариантов маршрутов обработки детали.
Гибкий автоматизированный цех (ГАЦ) ГПС, представляющая в
различных сочетаниях совокупность гибких производственных участков
для изготовления изделий данной номенклатуры. Это цех, в котором осуществлена частичная или полная интеграция нескольких гибких автоматизированных линий, участков, модулей в единую производственную систему.
Система автоматизированного контроля (САК) комплекс средств
контроля для автоматического измерения размеров детали в процессе ее
обработки. Основная задача
САК – исключение возможности появления
брака.
Система автоматизированного проектирования (САПР) комплекс
математических и технических средств, предназначенных для автоматизации процессов проектирования с участием человека. В производстве процесс проектирования включает в себя две составляющие: конструкторское и
технологическое проектирование. Конструкторское проектирование – совокупность проектных процедур, направленных на получение описаний конструкций изделия
(чертежи, спецификации). Технологическое проектирование совокупность проектных процедур, направленных на получение
описаний технологии изготовления изделия (технологические процессы,
маршруты обработки).
18
1.4. Информационные основы процесса управления
1.4.1. Общие сведения об информации
Информация определяет многие процессы, происходящие в системах
управления технологическими объектами и производственными комплексами. В общем виде процесс управления происходит в следующей последовательности: подготовка исходной информации, переработка введенной
информации, управление процессом на основании полученной информации. Практически все задачи управления
связаны с обработкой информации, описывающей свойства объектов: изделий, узлов и деталей, из которых эти изделия состоят, материалов, производственных подразделений
и т.д. Особо выделяются задачи, при решении которых приходится учитывать связи между различными объектами. Решение подобного рода задач
требует количественной и качественной оценки характеристик управляемых объектов.
Термин «информация» один из самых популярных в нашем лексиконе. В него вкладывается широкий смысл, и, как правило, его объяснение
дается на интуитивном уровне. Информация передается по телефону, радио, телевидению. Она хранится в библиотеках, архивах, базах данных.
Информация это новые сведения, которые могут быть использованы человеком для
совершенствования его деятельности и пополнения знаний.
Информация является отражением материальной сущности объекта или
системы, служит способом описания взаимодействия между источником
информации и получателем.
Весь комплекс данных, отражающих состояние объектов и течение
процессов производства и необходимый для эффективного управления
технологическим оборудованием, определяется как информационное обеспечение.
Все процессы, протекающие в СУ,
связаны с различными физическими носителями информационных сообщений, а узлы и объекты этой
системы образуют информационную среду, в которой протекают все информационные сообщения.
Воздействуя на параметры системы, информационные сообщения
переводят ее из одного состояния в другое. Это и есть процесс управления.
Информация о каких-либо событиях, процессах, состояниях объек-
тов
содержится в сигналах, приходящих от этих объектов. А сами эти сигналы, несущие информацию, могут быть непрерывными (аналоговыми)
или дискретными.
Исследованием методов передачи, хранения и приема информации
занимается теория информации. Согласно теории информации, во всех системах управления происходит процесс приёма, преобразования и передачи информации. Одна и та же
информация может быть преобразована раз-
19
личным образом. Главное в таком преобразовании – однозначность представления информации и её различимость. Представление информации и
перевод ее из одной системы в другую при полном сохранении содержания
называется кодированием информации.
Упорядоченный набор кодовых комбинаций называется кодом.
Множество символов, описывающих кодовые комбинации, называют
алфавитом кода, который можно представить а
, а2, … аn).
1
Известны двоичная, позиционная (десятичная) и непозиционная
(римская) системы счисления. Позиционная система – система, в которой
число зависит от его положения в записи. Чаше всего пользуются десятичной системой счисления. Для десятичной системы счисления алфавит кода
имеет вид: 0, 1, 2,
…
, 9.
Однако в вычислительной технике и в системах ЧПУ по целому ряду
причин используют другие системы счисления. В системах ЧПУ первых
поколений применялась релейная автоматика. Поэтому наиболее приемлемой являлась двоичная система счисления. В этой системе счисления любое число представлялось в виде сочетания 0 и 1. Записывалась информация на перфокартах или
перфолентах. Цифра 1 соответствовала отверстию,
реле срабатывало; 0 – отверстия нет, реле не срабатывало. Таким образом,
замыкание и размыкание реле формировало соответствующее информационное сообщение. Передача информации в таких СУ аналогична работе
телеграфа. По целому ряду причин релейная автоматика перестала применяться в современных системах управления.
В теории передачи и обработки информации для САУ
вводится по-
нятие меры количества и качества информации.
Только принимая за основу новизну сведений, можно дать количественную оценку информации. Основываясь на идее, что информация
устраняет некоторую неопределенность, т.е. незнание, описание любого
события или объекта формально можно рассматривать как указание на то,
в каком из возможных состояний находится объект.
Тогда протекание событий во времени есть не что иное, как смена состояний, выбранных с некоторой вероятностью из числа всех возможных. Чем выше уровень неопределенности выбора, тем больший требуется объем информации. Поэтому в теории информации количество информации является мерой снятия неопределенности одной случайной величины в результате наблюде
-
ния за другой. Если величины независимы, то количество информации
равно нулю.
Рассмотрим структуру меры информации.
Согласно теории информации элементарная единица управляющей
программы (УП) символ.
Символы, собранные в группы, образуют слова.
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]