3.6. Гибкие системы управления

Существовавшие раньше решения предполагали соединение шкафа управления с датчиками и исполнительными механизмами большим количеством проводов и контрольных кабелей. Для подключения таких цепей требовалось большое количество соединительных компонентов.

Сегодня широчайшее распространение получили схемы и устройства управления, основанные на системах программного управления (СПУ), под которыми понимают комплекс устройств, обеспечивающих автоматическую работу оборудования по определенной программе, вводимой обычно в виде чисел. СПУ находят широкое применение в приводах кузнечно-штамповочных машин, например для управления скоростью перемещения прессштемпеля в гидравлических прессах, для изменения давления в установках для прессования пластмасс, в дыропробивных прессах для управления перемещением каретки с закрепленным изделием и поворота револьверной головки с инструментом.

СПУ обеспечивают возможность быстрого перехода от одного технологического процесса к другому без сложной переналадки. В СПУ требуемые движения рабочих органов машины определяется заранее и запоминаются в элементах памяти.

Среди большого разнообразия вариантов схем СПУ можно выделить две основные подгруппы - это так называемые замкнутые и разомкнутые СПУ.

Характерной особенностью замкнутой СПУ (рис. 21) является обратная связь, контролирующая исполнение команды рабочим органом машины. Управляющее устройство УУ выполняет в рассматриваемой схеме декодирование введенной числовой программы и вырабатывает управляющую информацию, обеспечивающую все необходимые перемещения рабочих органов машины.

Сигнал X₁ с выхода управляющего устройства поступает на сравнивающее устройство СУ. Туда же поступает сигнал X₂ рабочего органа РО машины. Сравнивающее устройство СУ вырабатывает сигнал ошибки e, который усиливается усилителем У и поступает на исполнительный двигатель Д, перемещающий рабочий орган РО.

Рис. 20. Структурная схема замкнутой СПУ

У разомкнутых СПУ (рис.22) обратная связь с выхода объекта регулирования отсутствует. Разомкнутые СПУ используют специальные так называемые шаговые двигатели ШД. При подаче импульса напряжения на одну или две обмотки статора ротор такого двигателя поворачивается на небольшой угловой шаг.

Распределение импульса по обмоткам двигателя осуществляет специальный блок управления шаговым двигателем БУ. Импульс в ШД направляется, когда на входе БУ появляется импульс управления. Число импульсов определяет величину перемещения; частота – скорость движения. Порядок, в котором импульсы подаются на обмотки, вызывают вращение двигателя в ту или иную сторону.

Рис.21. Структурная схема разомкнутой СПУ

Системы числового управления делят на аналоговые и дискретные. В аналоговых системах числа, вводимые в УУ, преобразуют в пропорциональные им напряжения, углы сдвига фаз и другие величины. В дискретных системах числовая информация преобразуется управляющим устройством в определенную последовательность импульсов.

Наибольшее распространение в СПУ кузнечно-штамповочных машин получил так называемый двоичный код.

Для записи чисел в двоичной системе, а также для счета импульсов широко применяют двоичные счетчики. Производить преобразование чисел из двоичной системы в десятичную и наоборот помогают простые вычислительные устройства, называемые дешифраторами.

4.2. Управление простым процессом

Управление простым процессом сводится к 3-м основным задачам:

1) распоряжение течением процесса (пуск-прекращения);

2) распоряжение направлением процесса (вперед-назад, вверх-вниз, по часовой стрелке - против, нагревание - охлажде­ние, втекание - вытекание);

3) распоряжение режимом процесса - совокупность его качественных и количественных показателей (движение с заданным за­коном скорости, нагрев по заданному графику и т.д.). Пункты 2) и 3) можно объединить.

Управление простым процессом осуществляется по-разному в зави­симости от типов требуемых режимов:

1)процессы со свободными, неуправляемыми режимами, (задача управления-пуск и прекращение процесса);

2)процессы со свободными режимами в заданных пределах, (задача управления-пуск или прекращение процесса и ограничение качественных показателей);

3) процессы с управлением режима лишь по направлению, (задача управления-пуск, прекращение или реверс процесса);

4) процессы с управляемыми режимами, (задача-пуск или прекращение процесса и обеспечение заданных значений параметров режима).

Процессы 4-го типа бывают 4-х видов:

1) качественный показатель должен сохранять постоянную величи­ну - стабилизирующее управление;

2) программное управление - качественный показатель должен из­меняться по определенному наперед заданному закону;

3) следящее управление - качественный показатель должен изме­няться определенным образом в зависимости от других заранее выбра­нных параметров данного или другого процесса;

4) оптимальное управление - качественный показатель должен из­меняться так, чтобы при переменных величинах, характеризующих да­нный процесс и внешние воздействия, - некоторые характеристики (КПД, скорость, потери) имели оптимальное значение.

Управление режимом осуществляется посредством управляющих воз­действий. При этом могут возникнуть внешние и внутренние возмуще­ния, не связанные с осуществлением управления, но влияющие на ко­личественные и качественные параметры процесса.

Устранение влияния возмущений достигается регулированием процесса (ручным, автоматическим).

Универсальный метод управления (процессом цепью) – изменение величины и знака управляющего воздействия.

Управление может быть дискретным (релейным), разрывным, позиционным или плавным (функциональным) в зависимости от характера изменения проводимости линии передачи.

4.3. Классы средств автоматики

В общем случае система автоуправления может содержать четыре основных класса средств автоматики:

1) средства для получения информации (датчики, анализаторы, измерительные системы и т. д.);

2) средства для передачи информации (преобразователи, передатчики, каналы связи, приемники);

3) средства для переработки информации (счетно-решающие, устройства, вычислительные машины, управляющие машины);

4) средства, использующие информацию для воздейст-вия на управляемый объект (автоматические регуляторы, следящие системы);

Управляющая система в результате получения и переработки информации (регулируемых, входных, выходных переменных и возмущающих воздействиях), вырабатывает сигналы управления. Эта переработка информации осуществляется путем реализации алгоритма управления – некоторой последовательности определенных математических и логических операций. Для АС большое значение имеет характер цепи основного воздействия: при разомкнутой цепи управляющая система реагирует на входные и возмущающие воздействия без получения информации о результатах своей работы и возможности ее корректировать; при замкнутой цепи воздействия управляющая системы получает информацию и координирует свою работу. Замыкание цепи осуществляется на основе обратной связи.

В общем смысле система управления (СУ) - совокупность средств, обеспечивающих группе объектов, объединенных общностью задач, дости­жение заданной цели.

Для данного курса объекты – «технологические машины» цель - выполнение технологических процессов. Система управления может быть автоматической (без участия человека) - САУ.

Частным случаем автоматического управления является процесс автоматического регулирования - АР.

Вопросы для самоподготовки:

• Приведите примеры жестких систем управления?

• Задачи решаемые СПУ?

• Каковы основные типы гибких СПУ?

• Нарисуйте блок-схему ЧПУ.

Лекция №4 классификация средств автоматики

4.1. Системы автоматического регулирования (сар).

САР - комплекс устройств, осуществляющий автоматическое поддер­жание заданного параметра процесса на определенном уровне или изменяющий его по известному закону (сюда относятся системы стабилизации, системы программного регулирования, следящие системы).

Поддержание заданных или оптимальных режимов процессов изготовления деталей может осуществляться за счет регулирования одного или нескольких параметров. САР должна обеспечить учет влияния внешней среды, внутренние свойства системы и оптимум регулированных параметров.

Решение этой сложности задачи удается методом последовательных приближений по этапам:

1. анализ модели в установившемся и переходном режимах;

2. принципиальное определение структуры системы;

3. построение ее математической модели;

4. оптимизация (синтез) системы.

На первом этапе учитываются технические требования (диапазон скорости, усилие, мощность и т.д.), учесть внутренние свойства ограничения самой системы вследствие введения обратной связи на этом этапе не удается.Затем система испытывается и анализируется при работе в неустановившемся (динамическом) режиме. Определяется устойчивость замкнутой системы и ее быстродействие (что обеспечивает надежность, точность, производительность). Для САР динамический режим преобладает.При этом может обнаружится, что в неустановившемся режиме система неустойчива (при отключении входного управления сигнала на выходе системы существуют незатухающие колебания) вследствие чего она не годится для использования. Основная задача при создании САР сводится таким образом к отысканию соответствующей между устойчивостью, быстродействием и коэффициентом усиления, которые связаны обратной зависимостью. Поэтому приходится искать серединные решения. Приемлемые величины указанных критериев для изучаемой системы отыскиваются на основе исследования (решения) математической модели (Задача анализа), а соответствие между этими критериями устанавливаются исходя из требований точности и производительности, (Задача синтеза).

Математическая модель – система дифференциальных уравнений (или одно уравнение), связывающих количественные и логические зависимости между отдельными элементами системы и между всей системой и объектом управления.

В общем случае решение системы дифференциальных уравнений высокого порядка, которые в большинстве случаев описывают систему автоматического регулирования, - в общем виде невозможно или весьма трудно. Поэтому прибегают упрощающим методам – методам преобразования, позволяющим дифференцирование, интегрирование функций заменить делением и умножением на оператор “р” (“р” оператор Лапласа); используют также экспериментальный метод определения кривой переходного процесса, частотный метод (строят амплетудно и фазочастотную характеристику разомкнутой или замкнутой системы), метод моделирования с применением аналоговых В.М. (АВМ). В последнем случае систему заменяют связанными между собой типовыми электронными блоками.

Рис. 22. Кривая переходного процесса.

Такая модель строится на той же физической основе и описывается теми же дифференциальными уравнениями, что и действительная система, лишь мощность и масштаб меньше. Метод может применяться и для нелинейных уравнений, в отличие от других.

Методы управления режимом:

1) регулирование по возмущению,

2) регулирование по отклонению,

3) автоматический поиск,

4) комбинированные: на основе обучаемых устройств.

Элементная схема АС (САР) отражает состав, назначение и взаимодействие элементов.

Рис.23. Элементная схема системы автоматического

регулирования.

1-Рп - регулируемый процесс;

2-Вс-воспринимающий элемент (датчик), (чувствительный элемент);

3-Зд - задающий(управляющий)элемент (задатчик);

4-Ср - элемент сравнения _n, _0.

устанавливает величину рассогласования (ошибки)

= ₀ - _n и вырабатывает сигнал ошибки;

5-Пр - преобразующий элемент (преобразователь)

(преобразует сигнал в удобный для последующих передач вид), применяется по мерз надобности;

6-Ус-усилитель сигнала, применяется по мере надобности;

7-Ис - исполнительный элемент

(осуществляет командное воздействие па Ро);

8-Ро - регулирующий орган, управляющий потоком энергии.

2. Классификация СУ по информационным признакам (по источникам и носителям информации, количеству и структуре потоков информации, виду и методам пере­работки информации).

Основной источник информации - программа управления. Эта инфор­мация известна до осуществления технологического процесса. Она мо­жет быть сообщена АС заранее и именуется задающей информацией. Материальная носитель, на котором зафиксирована программа, называется программоносителем.

В программе заданы сведения о характере движения рабочих эле­ментов А.С., их синхронизации, режимах работы, технологические и иные команды.

Вторым источником информации является технологический процесс:

датчики позволяют получать информацию о действительном поло­жении скорости движения рабочих элементов А.С., температурных усло­виях, окончании цикла, нагрузках и т.д.. Эта информация называется информацией обратной связи, а датчики - датчиками обратной связи.

Третьим источником информации является окружающая среда (влажность» температура, вибрации и др.). Это информация о возму­щениях в режимах.

Носители программы: упоры, переключатели, кулаки, копиры, штекерные табло, номеронабиратели, быстросменные носители - пер­фолента, перфокарты, киноленты, магнитные ленты, барабаны, магнит­ные диски.

Чем больше каналов информации, тем выше качество работы СУ, шире ее функциональные возможности.

Системы управления, использующие только задающую информацию, имеют разомкнутую структуру. В них от­сутствует контроль за выполнением программы и обратная связь, ис­пользуется только один поток информации. Задающая информация пере­рабатывается в удобную форму для управления приводом (чаще всего нерегулируемым), выполняющим элементарный цикл технологического процесса.

Информация о воздействующих на техпроцесс возмущениях в ра­зомкнутой системе не используется. Такую структуру имеют СУ с ша­говыми исполнительными механизмами и СУ от кулачков и упоров.

Использование только одного канала информации существенно упро­щает конструкцию СУ, но требует высокого качества изготовления ее элементов.

Замкнутые СУ снабжаются обратной связью, что снижает техноло­гические требования к отдельным их элементам и повышает качество работы СУ.