Соломонцев Ю.М. Теория автоматического управления
.pdf
|
[Fl |
|
k; |
Рис. 5.14. |
Конфигурация подсистемы |
|
|
|
|
||
|
|
|
•s |
цифрового |
вывода |
|
|
|
53 |
|
|
|
•^ |
|
iota |
|
|
|
|
» ч |
|
||
|
! |
|
h «J |
<b |
|
|
С) |
* |
|
|
|
|
t)* |
|
СЭ |
|
|
|
СЭ |
|
3^ |
|
|
|
|
«5; |
|
|
|
Процессор, |
JS-не: |
|
|
|
|
интерфейс |
^s51 |
|
|||
|
1*-*. |
• |
|
|
|
|
* |
'u^§<a |
|
||
|
'§ |
• |
чаЙ |
|
|
|
11нС.II |
|
|||
|
|
|
CS ? |
|
|
Рис. 5.15. Схема |
функционирования |
УВМ: |
|
УУ — устройство |
управления; А У — |
арифметическое устройство
мени, либо замыкать контакт заданное число раз или вырабатывать на выходе заданное число импульсов напряжения.
Основная функция цифрового вывода — функция ключа, который может управлять источником напряжения или тока с целью передачи в нагрузку сигнала в виде уровня напряжения или силы тока. Обычно напряжение, управляемое устройствами цифрового выхода, совместимо со стандартными уровнями сигналов логических схем. Эти выходные сигналы часто используют для управления процессом или технологическим оборудованием, воспринимающим стандартные логические уровни сигналов.
На рис. 5.14 показана общая организация подсистемы цифрового вывода. Подсистема непосредственно соединена с процессором или интерфейсом. В последнем случае устройство логического управления обеспечивает также декодирование адреса и кода операции, синхронизацию и другие функции управления, например определение длительности выходных импульсов.
Управление точками цифрового вывода обычно осуществляется на групповой основе. Для облегчения обращения с данными число выходных точек в каждой группе берется равным числу двоичных Разрядов в машинном слове или в его части. Например, если УВМ использует 16-разрядные слова, то число выходных точек в группе обычно равно 8 или 16. Число групп, управляемых логическим Устройством управления подсистемы, определяется общей струк- тУрой системы. Основными факторами, "обусловливающими выбор числа групп на одно устройство управления подсистемы, являются
Теория автоматического |
241 |
структура адресации, задаваемая форматом команды, и выбранные конструктивные решения.
Обычно каждый двоичный разряд выходных цифровых данных имеет самостоятельный смысл, т. е. каждый бит выходного слова может использоваться для управления каким-либо параметром процесса. Иногда данные, представляемые одной группой выходов, имеют смысл целого слова. В частности, это имеет место, когда группа цифровых выходов используется для передачи данных периферийному печатающему устройству или устройству визуального вывода.
На рис. 5.14 показаны три варианта выходных схем: выходы непосредственно от логических схем, выходы с ключей на транзисторах и релейные выходы. Возможны также и другие варианты, например ключи на тиристорах и пр.
УВМ для осуществления управления процессом должна выполнять следующие функции.
. 1. Собирать важную для хода технологического процесса информацию, которая представляет собой последовательность цифр и других условных знаков, понятных УВМ. Так как УВМ работает с цифрами, все сигналы должны быть преобразованы в последовательность цифр. Эту операцию осуществляет в УВМ АЦП.
2.УВМ накапливает данные и хранит их для последующей обработки. Снимая характеристики процесса и регистрируя структурные параметры, УВМ может построить математическую модель процесса.
3.УВМ может производить расчеты, используя введенные в нее или накопленные в ней данные, например, рассчитывать оптимальные значения управляющей величины. Эти расчеты не должны
отставать от реального процесса, т. е. УВМ должна работать в реальном масштабе времени.
4. УВМ может выдавать некоторые данные, напримероптимальное значение управляющей величины. Эти данные должны быть преобразованы снова в аналоговый сигнал с помощью цифроаналогового преобразователя, чтобы их можно было использовать непосредственно в процессе управления.
Однако УВМ не в состоянии производить вычисление по собственной инициативе. Для этого она должна получить команду от своего устройства управления. Так как устройство управления не знает, что и как УВМ должна считать, то следует ввести в нее программу вычислений, составленную на понятном машине языке (рис. 5.15).
Программа — упорядоченная последовательность указаний, по которым производятся вычисления. В программе, например, может быть предписано: рассчитать оптимум по указанному методу. Такое предписание называют алгоритмом.
249
Принципы связи УВМ с объектом управления
Большое число источников информации и их особенностей приводит к необходимости применения различных методов их опроса и соответствующих систем сбора информации, реализующих эти методы. Различают следующие принципы связи.
1. Синхронный принцип связи УВМ с объектом управления, при котором процесс управления разбивается на циклы тактирующими импульсами электронных часов (таймера) в УВМ. Цикл начинается с приходом тактирующего импульса на устройство прерывания. В начале каждого цикла производится последовательный опрос датчиков и преобразование снятых сигналов в цифровую форму. Преобразование и ввод преобразованных величин в память УВМ, как правило, занимают мало времени по сравнению с интервалом времени, в течение которого измеряемые величины успевают заметно измениться. После окончания измерения, преобразования и передачи в память УВМ рассчитывает необходимые величины
управляющих |
воздействий. Затем эти величины преобразуются |
в аналоговую форму. Выдав управляющую информацию на соот- |
|
ветствующие |
исполнительные механизмы, УВМ или останавли- |
вается до поступления следующего тактирующего сигнала, или переходит к «фоновым» задачам, которые могут прерываться (без порчи программы и промежуточных результатов) тактирующими импульсами.
Принцип циклического опроса определяется порядком предоставления интервалов для различных источников информации или соотношениями между частотами опроса этих источников. В случае простого циклического опроса число датчиков равно числу входов
коммутатора, |
а длительность интервалов ta одна и та же. Дли- |
||
тельность кадра Тк = ntz, а все источники опрашиваются с одной |
|||
и той же частотой /оп = IIТк. |
|
|
|
Частота опроса каждого источника информации определяется |
|||
характеристиками измеряемого |
процесса и требуемой |
точностью. |
|
Естественно, |
что при простом |
циклическом опросе |
приходится |
выбирать частоту опроса, ориентируясь на наиболее динамичные источники информации и минимальную ошибку. Это приводит к росту избыточности информации от менее динамичных источников и снижению эффективности использования систем передачи информации. Поэтому в большинстве случаев необходимо иметь определенный набор различных частот опроса источников информации. Изменение времени или порядка опроса источников информации реализуется в УВМ программными средствами.
2. Асинхронный принцип связи УВМ с объектом управления основан на методе «запрос—ответ». Вместо тактирующих импульсов в УВМ поступают сигналы от датчиков прерывания, непосредственно связанных с объектом управления (например, конечных выключателей, датчиков аварийного останова и др.), в виде сигнала запроса данных. Каждый сигнал прерывания эквивалентен требо-
»* |
243 |
ванию о прекращении производимых УВМ вычислений и переходу к выполнению подпрограммы, соответствующей данному каналу прерывания. УВМ реагирует на сигналы прерывания с учетом права приоритета одних сигналов прерывания перед другими.
3. Комбинированный способ связи УВМ с объектом управления. Вместе с таймером, вырабатывающим тактирующие импульсы, используются связанные с объектом управления датчики прерывания (например, датчики аварийных сигналов), переводящие УВМ на работу по программе аварийного режима.
Алгоритмическое обеспечение АСУ
Важной составной частью АСУ, во многом определяющей ее функциональные возможности, является математическое обеспечение (МО), которое можно разделить на общесистемное и функциональное (рис. 5.16). Общесистемное МО в сочетании со специальными аппаратными средствами позволяет управлять ресурсами ЭВМ, осуществлять общение оператора и ЭВМ, использовать стандартные программы при решении функциональных задач, выполнять диагностирование элементов ЭВМ и др.
В современной терминологии общесистемное МО принято называть операционной системой (ОС), компонентами которой являются управление ресурсами, программные средства общения оператора и ЭВМ, диагностические программы, стандартные программы. Базовый состав общесистемного обеспечения УВМ следующий: операционная система — комплекс алгоритмов, служебных программ и аппаратных средств, предназначенных для управления процессом решения задач на ЭВМ без вмешательства оператора; про- грамма-диспетчер, обеспечивающая мультипрограммный режим работы в реальном времени, координирующая процесс выполнения отдельных программ в соответствии с их приоритетами, программы обмена, предназначенные для выполнения обмена информацией между УВМ и'периферийными устройствами; трансляторы с алго-
ритмических |
языков, переводящих |
программу, написанную на |
|
|
Математическое |
обеспечение |
|
|
|
_L |
|
Функциональное ПО |
Общесистемное МО |
||
|
J_ |
|
|
Система обеспечения |
Система |
||
вычислительного процесса |
. подготовки |
программ |
|
Операционная |
Система |
Система автоматизации |
Система |
система |
функционального контроля |
программирования |
отладки |
Рис. 5.16. Структурная схема математического обеспечения АСУ
244
алгоритмическом языке, в машинный код, упрощающий отладку |
|
и компоновку программы из заранее |
отлаженных программ; |
библиотека научных программ; тестовые |
программы. |
Функциональное МО образуется комплексом программ, непосредственно выполняющих функции управления данным процессом. Функциональное МО УВМ образует алгоритмы и программы, реализующие задачи сбора и переработки информации, формирования управляющих воздействий, решения задач оптимизации в конкретной системе управления. Функциональные программы либо
разрабатываются индивидуально для конкретного процесса, либо используются типовые программы.
Несмотря на то что функциональное МО существенно зависит от назначения системы, его структура, достаточно общая для различных систем, характеризуется иерархичностью построения, типовая функциональная схема которой представлена на рис. 5.17. Управляющая система ГПС состоит из следующих уровней управ-
ления: |
автономные управляющие устройства |
технологического и |
||||
I |
, |
, |
у |
уровень |
|
|
|
|
Связь с |
АСУП |
|
|
|
Формирование динамических |
моделей |
|
|
Анализ |
|
|
производственного процесса |
производственного процесса |
|||||
|
|
Оптимизация |
|
|
|
|
|
|
технологического процесса |
|
|
||
L |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ж |
уровень |
fiOHK |
^ Оперативнокалендарное |
^ |
Автоматичес кий контроль |
|||
данных |
планирование |
|
функционир •гйания ГСП |
|||
|
|
|
|
|
' |
|
|
|
Диспетч epujc/ция |
|
Ш |
уровень |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
раОоты оборудования |
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Координация работы Г11М |
Координация работы ТС |
|
Координация работы АС |
|||
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
Автоматическая подготовка |
Л |
уровень |
||
|
|
|
|
|||
|
|
управляющих |
программ |
|
|
|
|
|
функционирования |
оборудования |
|
|
|
Контроль работоспособности оборудования
Рис. 5.17. Типовая функциональная схема системы управления ГПС
245
вспомогательного оборудования; синтез программфункционирования оборудования; координация работы технологического и вспомогательного оборудования; оперативно-календарное планирование и контроль; координация работы ГПС.
Следует иметь в виду, что с точки зрения синтеза отдельных уровней управления такие системы можно рассматривать и как многоуровневые. Например, системы управления отдельными станками с ЧПУ часто сами являются иерархическими.
Уровень I управления образуют автономные управляющие устройства отдельными единицами оборудования. В большинстве случаев этот уровень реализуется на основе числового программного управления и включает в себя каналы связи с оборудованием и верхними уровнями, устройства сбора и преобразования информации. Вопросы реализации данного уровня в настоящее время достаточно освоены на примерах управляющих устройств промышленных роботов и станков с ЧПУ.
На уровне II выбираются или формируются программы работы уровня I управления на основе требуемого типа операции в зависимости от вида детали. Входной информацией для уровня II управления является информация подсистемы планирования сменносуточных заданий работы оборудования.
На уровне III управления осуществляется координация работы технологически автономных групп оборудования. Этот уровень
управления реализуется, как правило, на |
основе микроЭВМ. |
||||
Организация |
уровня |
координации работы |
технологического и |
||
вспомогательного оборудования |
позволяет снять |
часть функций |
|||
с центральной |
ЭВМ, |
что очень |
важно, так |
как |
быстродействие |
современных управляющих ЭВМ часто недостаточно для выполнения ими функций прямого управления оборудованием ГПС от центральной ЭВМ. Вместе с тем этот уровень управления позволяет существенно повысить надежность ГПС, так как в случае выхода из строя верхних уровней управления он может осуществлять аварийное управление оборудованием автономно. Смену заданий уровня III управления в этом случае должен осуществлять дежурный оператор. Входной информацией для уровня координации является последовательность работы оборудования г типы деталей. Эта информация задается уровнем IV управления.
На уровне IV составляется для ГПС план по объему иноменклатуре деталей за смену, сутки, неделю, производится учет выполнения плана, учет и анализ простоев оборудования и т. д. Как самостоятельные подсистемы в состав уровня IV входят подсистемы контроля и устранения неисправностей и банк данных. Этот уровень включает в себя сеть информационных каналов.
Уровень V управления анализирует задания, поступающие от АСУП, и координирует работу всего ГПС. На этом уровне обрабатывается информация о ходе производственного процесса и синтезируются его динамические модели, на основе которых происходит управление ГПС.
Программное обеспечение системы управления ГПС на базе
ЭВМ строится |
по модульному принципу и состоит из |
системных |
и функциональных блоков. |
|
|
Системные |
блоки, образующие диспетчер системы, |
подразде- |
ляют на монитор, блок обработки прерывания, блок временных выдержек и блок работы с библиотекой стандартных программ. Функции диспетчера: организация общего управления линией по заданному алгоритму, обслуживание заказов на временные выдержки и выполнение стандартных вычислительных программ, организация реакций на сигналы, поступающие от внешнего оборудования.
Последовательность работы функциональных блоков в соответствии с общим алгоритмом работы ГПС реализуется монитором диспетчера. В его функции входят анализ выполнения алгоритма функционирования ГПС и активизация соответствующего функционального блока системы управления, готового к работе.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Перечислите типовые задачи управления в производственном процессе.
2.В чем сущность системного подхода?
3. |
Какие типы АСУ существуют и в чем их особенности? |
|
4. |
Перечислите классы структур систем |
управления. |
5. |
В чем особенности ЭВМ, встраиваемых |
в контур управления? |
6. |
Какова организация технических средств УВМ для ввода информации? |
|
7. |
Приведите конфигурацию подсистемы ввода аналоговых сигналов. |
|
8.В чем принципы связи УВМ с объемом управления и их особенности?
9.Каков состав общесистемного обеспечения УВМ?
10. Назовите и охарактеризуйте уровни функционального математического обеспечения управляющей системы ГПС.
ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА 6 СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
в.1. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА СБОРА
ИРЕГИСТРАЦИИ ИНФОРМАЦИИ
Контроль того или иного параметра технологического процесса с целью использования полученной информации для управления последним выполняется первичными преобразователями (датчиками). Эти устройства осуществляют преобразование одной физической величины (малых перемещений, момента, силы, температуры и др.), неудобной для последующего использования в качестве воздействия на объект управления, в другую физическую величину, пригодную для последующих преобразований с целью управления объектом. Такой величиной чаще всего является напряжение, сила тока, коэффициент самоиндукции, активное сопротивление, емкость.
Датчики, таким образом, могут быть подразделены по двум признакам: по назначению (или роду контролируемой величины) и по принципу действия (но виду величины, получаемой на выходе датчика).
Кдатчикам предъявляют следующие основные требования.
1.Возможно большая крутизна S преобразования (дифференциальная чувствительность). Эта величина определяется как част-
ная производная выходной величины по входной: S = dyldx. Это выражение может быть приблизительно заменено отношением конечного приращения выходной величины к конечному прираще-
нию входной при условии, что последняя достаточно |
мала: S |
= |
= Д|//А^. Рассматриваем частную производную, |
потому |
что |
показание (или выходная величина) является функцией не только контролируемого параметра (или входной величины), но и целого ряда других побочных факторов. Например, при контроле линейных величин изменение температуры или появление вибраций влияют на показания датчика. Частная производная при всех значениях у должна не менять своего знака, иначе возможна многозначность х.
2.Исполнение датчика должно исключать влияние побочных факторов.
3.Датчик не должен по возможности влиять на состояние контролируемого объекта. Это значит, что энергетические уровни, действующие на входе датчика, должны быть возможно низкими. Поскольку датчик является преобразователем и, как правило, не
содержит в своем составе каких-либо активных элементов, выходная величина характеризуется еще более низким энергетическим уровнем. Поэтому в САдУ даже в измерительном тракте,
как |
правило, предусматривают усилительные устройства. |
4. |
Датчики должны быть простыми по конструкции, обладать |
высокой надежностью в эксплуатации, отличаться невысокой стоимостью.
Контроль мощности. Контроль потребляемой мощности проще всего осуществить путем измерения мощности N0, подводимой к двигателю. При этом необходимо из общей мощности вычитать
мощность холостого хода Nf. x > П°Д которой понимают ту часть мощности, которая необходима для функционирования станка при отсутствии резания. Эту задачу решают следующим образом: измеряют мощность NT.x в режиме холостого хода, ее уровень фиксируют и затем этот уровень вычитают из общей подводимой мощности уже при резании; остающуюся часть можно считать мощностью резания. Однако при этом возможны ошибки, так как NIwI, как правило, меняется из-за прогрева станка, изменения условий смазывания и ряда других причин.
Для измерения подводимой мощности у трехфазных асинхронных двигателей может быть использована схема, представленная
на рис. 6.1.
Три трансформатора тока Tl, T2 и ТЗ снимают информацию соответственно о силе трех линейных токов ij, ia, is. Вторичные обмотки этих трансформаторов включены в схему трехфазного выпрямителя с нагрузкой в виде резистора R1 с конденсатором С1. Наличие трех трансформаторов тока позволяет учитывать возможный перекос фаз. Получаемое на нагрузке напряжение (Д пропорционально усредненному значению силы трех линейных токов tj, (a и is. Так как при изменении линейного напряжения L/i неизбежно изменение силы тока, в схеме предусматривается однофазный выпрямитель на трансформаторе ТН с выпрямителем и
Рис. 6.1. Принципиальная схема устрой ства для измерения .мощности резания
Рис. 6.2. Эффект Холла
нагрузкой R2 и С2, на которой действует напряжение Ut. Так, при уменьшении линейного напряжения следует ожидать увеличения
силы линейного тока, но поскольку напряжения Иг и i/2 действуют |
||
навстречу друг другу, результирующее |
напряжение £/р = |
Иг — |
— I/a изменяется в меньшей степени, |
чем при отсутствии |
такой |
компенсации.
Трансформатор ТН имеет две вторичные обмотки, причем одна
из них |
используется для компенсации изменений силы |
тока, |
а |
||||
вторая |
обмотка |
работает на выпрямитель со стабилитроном ДС, |
и |
||||
поэтому его выходное напряжение, развиваемое на резисторе R3 |
|||||||
и конденсаторе |
СЗ, оказывается |
практически неизменным даже |
|||||
при изменении линейного напряжения. Напряжение U3 с помощью |
|||||||
потенциометра |
(резистор R3) |
подбирается таким, чтобы |
разность |
||||
£/р — U3 сохранялась бы лишь |
при резании. С этой целью при |
||||||
холостом ходе станка напряжение Ua подбирают эксперименталь- |
|||||||
но таким, чтобы Up — Ua = 0. |
С достаточной для управления |
||||||
степенью точности можно считать, что при резании выходное |
|||||||
напряжение £/вых = £/Р — t/3 |
= U\ — f/2 |
— U3 является |
вели- |
||||
чиной, |
характеризующей лишь |
мощность |
резания. |
|
|
||
Недостатком |
схемы является то, что компенсацию Л/х. |
х нужно |
|||||
выполнять всякий раз, как только эта мощность изменит свое |
|||||||
значение. |
|
|
|
|
|
|
|
Возможно решение, при котором эта компенсация будет произ- |
|||||||
водиться автоматически всякий раз, как |
прекращается |
резание. |
|||||
В этом случае по сигналу об отсутствии силы резания, а для этого необходимо встроить специальное устройство, например, опреде-
ляющее наличие контакта инструмента с |
деталью, |
система, по- |
|
строенная |
по схеме' самобалансирующегося |
моста, |
будет переме- |
щать ползун потенциометра R3 в направлении, при котором £/ВЬ1х |
|||
стремится |
к нулю. Таким образом, £/Вых автоматически поступает |
||
с выхода |
некоторого усилителя постоянного тока на реверсивный |
||
серводвигатель, который через соответствующий редуктор перемещает ползун потенциометра до тех пор, пока £/выт не станет равным нулю. Но даже если пауза в резании окажется недостаточной для осуществления полной отработки возникшего рассогласования, все
же будет получено известное приближение к режиму, когда £/выт |
= |
= 0. Из-за очевидности инженерного решения такой задачи схему |
|
самобалансирования не приводим. |
|
Для контроля мощности, потребляемой технологической системой, возможно использовать два датчика ЭДС Холла,включенных по схеме двух ваттметров (схема Арона). Для получения информации о потребляемой мощности показания двух ваттметров следует просуммировать. Эффект Холла заключается в следующем (рис. 6.2). Если по полупроводнику ПП течет ток силой i и ортогонально направлению тока действует магнитный поток Ф, то на свободных гранях появляется разность потенциалов, которую принято называть ЭДС Холла Eh = &/Ф. Если считать, что амплитудные значения силы тока I и потока Ф, даже при условии, что i и Ф