Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лекции - Автоматизированные системы управления производством - файл лекции, окон. вар..doc


Лекции - Автоматизированные системы управления производством
скачать (590.3 kb.)

Доступные файлы (14):

АСУТП.doc21kb.24.02.2004 10:28скачать
лекции, окон. вар..doc935kb.03.10.2003 13:29скачать
Лекция1.doc89kb.08.12.2002 18:12скачать
Лекция2.doc263kb.11.12.2002 19:19скачать
Лекция3.doc124kb.08.12.2002 18:14скачать
Лекция4.doc119kb.08.12.2002 18:15скачать
Лекция5.doc177kb.08.12.2002 18:16скачать
Лекция6.doc201kb.11.12.2002 19:24скачать
Лекция7.doc137kb.11.12.2002 07:08скачать
Практика1.doc114kb.13.12.2002 14:48скачать
Практика2.doc139kb.14.12.2002 01:20скачать
Практика3.doc297kb.29.12.2002 17:53скачать
Практика4.doc111kb.28.12.2002 00:26скачать
Практика5.doc164kb.22.01.2003 00:49скачать

лекции, окон. вар..doc

  1   2   3   4   5   6   7

Лекции по дисциплине «Управление техническими системами» стр. из


Лекция 1

1.1 Введение в предмет «Управление техническими системами»



Автоматизация – это идеология и практика использования в промышленном производстве автоматических управляющих устройств, заключается в замене умственной деятельности человека работой автоматических технических средств в отличии от механизации.

Механизация – замена мускульной физической силы человека работой технических устройств.

Теоретической базой автоматизации является техническая кибернетика, технической базой – технические средства, включая ЭВМ.

Создателем кибернетики по праву считают американского математика Норберта Винера (1894-1964). Со времени выхода в 50-х годах двадцатого века книги Н. Винера о кибернетике, эта область знаний (теории и практики управления) настолько бурно развивается, что само понятие “управление”, претерпевает неизбежные изменения, отражающие новые аспекты, как в теоретическом, так и в прикладном плане.

Поэтому сейчас под кибернетикой понимают науку об оптимальном управлении сложными динамическими системами, подразумевая и машину, и общество.

Техническая кибернетика включает в себя 3 раздела:
  1. ^

    Теория информации, связанная с получением, хранением и переработкой информации, а также передачи ее по каналам связи.


  2. Теория автоматического управления. В начале она создавалась для изучения статики и динамики процессов автоматического управления техническими объектами – производственными, энергетическими, транспортными и так далее. Основное ее значение сохранилось и в наше время, хотя в последние годы ее результатами начинают пользоваться и для изучения динамических свойств систем управления не только технического характера, но и экономического, биологического, организационного и т.д.

Для осуществления автоматического управления техническим объектом создается система, состоящая из управляемого объекта и связанного с ним управляющего устройства. Как и всякое техническое сооружение, система должна обладать конструктивной жесткостью и динамической прочностью. Эти чисто механические термины в данном случае несколько условны. Они означают, что система должна выполнять заданные ей функции с требуемой точностью, несмотря на инерционные свойства и на неизбежные помехи. Пока объект обладает достаточной конструктивной жесткостью и динамической прочностью, потребности в автоматическом управлении (регулировании) не возникают. То есть теория автоматического управления (ТАУ) занимается вопросами описания и расчета систем управления техническими объектами на основе алгебраических, дифференциальных, интегральных уравнений и методов высшей математики.

  1. Инженерная психология и эргономика, связанная с функционированием человека в системе управления

^ Под управление – будем понимать процесс организации такого целенаправленного воздействия на объект, при котором объект переходит в требуемое состояние или положение.

Область технической кибернетики, описывающая методы и средства управления в технических системах называется автоматикой

Автоматика - отрасль науки и техники, охватывающая совокупность методов и технических средств, освобождающих человека от непосредственного выполнения операций по контролю и управлению производственными процессами и техническими устройствами.

Автоматика – это древнегреческое слово, обозначающее «самоусилие», «самодействие» (от слов “ауто” – сам и ”матос” – усилие).

Задачей автоматики как науки является разработка принципов и средств, необходимых для управления техническими объектами без участия человека.

Технический объект (станок, двигатель, поточная линия и т.д.), нуждающийся для успешного взаимодействия с другими объектами или внешней средой в специально организованном управляющем воздействии, называется объектом управления (ОУ).

Целенаправленное воздействие на объект управления возможно, если выполняются два условия:

  1. Существует совокупность правил, позволяющих добиваться поставленной цели управления в различных ситуациях, т.е. алгоритм управления;

  2. Существует автоматическое управляющее устройство (АУУ), способное создавать в соответствии с алгоритмом управления целенаправленное воздействие на объект.

Совокупность объекта управления (ОУ) и автоматического управляющего устройства (АУУ), взаимодействие которых приводит к поставленной цели управления, называется системой автоматического управления (САУ).
^




1.2 Краткая история развития автоматики



Развитие мировой техники шло в трех направлениях:

  1. Создание машин двигателей (водяные, ветряные, паровые, дизельные и электрические), которые освободили человека от тяжелого физического труда;

  2. Создание машин-орудий, т.е. станков и технологического оборудования различного назначения.

  3. Создание машин для контроля и управления производственными процессами. Развитие этого направления было вызвано необходимостью надежно, точно и быстро управлять машинами-двигателями, машинами-орудиями и сложными технологическими процессами.

Идея создания машин и механизмов, которые бы работали без участия человека, возникла в древности. Первые автоматические действующие устройства, созданные людьми, создавались и использовались в религиозных или развлекательных целях. Практического значения автоматы древности и средневековья, за редким исключением, не имели.

С необходимостью построения управляющих устройств первыми столкнулись создатели высокоточных механизмов, в первую очередь, часов. Даже очень небольшие, но действующие непрерывно, помехи, накапливаясь, приводили, в конечном итоге, к отклонениям от нормального хода, недопустимым по условиям точности. Противодействовать им чисто конструктивными методами, например, улучшая точность и чистоту обработки деталей, повышая их массу или увеличивая полезные усилия, не всегда удавалось. И для повышения точности, в состав часов стали вводить регуляторы. На рубеже нашей эры арабы снабдили поплавковым регулятором уровня водяные часы.

Первое автоматическое устройство практического назначения было изобретено Гюйгенсом в 1657г – автоматический регулятор маятникового типа для стабилизации скорости хода часового механизма.

Другой причиной, побудившей строить регуляторы, была необходимость управлять процессами, подверженными столь сильным помехам, что при этом утрачивалась не только точность, но зачастую и работоспособность системы вообще. Предшественниками регуляторов для таких условий можно считать применявшиеся еще в средних веках центробежные маятниковые уравнители скорости хода водяных мукомольных мельниц.

Первые автоматические устройства промышленного назначения появились в связи с изобретением и развитием паровых машин и турбин в 18 и 19 веках в эпоху промышленного переворота в Европе.

Первым автоматическим регулятором такого типа является поплавковый регулятор питания парового котла, разработанный знаменитым русским механиком и изобретателем Н.И. Ползуновым в 1765 году. Он был применен на барнаульском механическом заводе для поддержания заданного уровня воды в паровом котле паровой поршневой машины.

В 1784 году английский механик Джеймс Уатт получил патент на центробежный регулятор скорости паровой машины, используемый для поддержания постоянства частоты вращения.

Принцип работы этих регуляторов оказался одним и тем же: они поддерживают заданное значение физического параметра не точно, а в некотором заданном диапазоне, поэтому такой принцип регулирования, широко применяемый в настоящее время, называется принципом “Ползунова-Уатта”.

К первым промышленным регуляторам относят также первое программное устройство управления ткацким станком от перфокарты, построенное в 1808 году Жаккаром. Оно применялось для воспроизведения узоров на коврах.

Эти регуляторы как бы открыли путь потоку изобретений принципов регулирования и регуляторов, продолжающемуся вплоть до середины 20-го века.

Паровая машина не случайно стала первым объектом для применения техники и теории управления, т.к. она не обладала способностью работать сама по себе, не имела “самовыравнивания”. Ее неблагоприятные динамические свойства часто приводили к тому, что подключенный к ней регулятор действовал не так, как ожидал конструктор, “раскачивал” машину или вообще оказывался неспособным управлять ею. Все это, естественно, побуждало к проведению теоретических исследований.

Три фундаментальные работы внесли коренное изменение в подходе к проблеме и в методологии исследований и содержали, по существу, изложение начал новой науки об управлении.

Это работы Дж. Максвелла “О регуляторах” (1866 г.) и Вышнеградского

“Об общей теории регуляторов” (1876) и “О регуляторах прямого действия” (1877 г.).

Максвелл и Вышнеградский впервые рассмотрели паровую машину и регулятор как единую динамическую систему, что позволило разработать методику исследования самых разнообразных по принципам действия и конструкции систем, заложить основы теории устойчивости и установить ряд важных общих закономерностей регулирования (по принципу обратной связи).

Особо важную роль в то время сыграла работа профессора Петербургского технологического института Вышнеградского “О регуляторах прямого действия” (1877 г.). В этой работе был проведен детальный анализ характеристик паровой машины и регулятора Уатта, раскрыта динамика работы машины и доказано, что во время работы регулятор и машина образуют единую систему. Эта работа отличалась глубоким инженерным подходом, рассмотрением важных для техники тех лет объектов и содержала кроме ценных практических рекомендаций истоки ряда современных методов исследования качества регулирования (диаграммы устойчивости и распределения корней, выделение областей устойчивости и монотонности и так далее).

Поэтому современники считали Вышнеградского основоположником теории автоматического управления (регулирования).

Работа Максвелла осталась в то время практически незамеченной, поскольку рассматривала малоинтересный для широкого круга инженеров объект (механизм ведения телескопа), явно полезных практических выводов не делала и рекомендовала регуляторы (астатические), практически непригодные для промышленных машин того времени. Ее роль была оценена значительно позже, когда теория автоматического управления (ТАУ) сформировалась в самостоятельную дисциплину.

Одна из первых теоретических работ, посвященных созданию теоретических основ работы и расчёта автоматических регуляторов, выполнена русским математиком П.Л. Чебышевым и посвящена теории работы астатического регулятора.

Помимо этих ученых большой вклад в развитие ТАУ внесли работы словацкого инженера и ученого Стодолы, рассматривавшего вопросы устойчивости регулирования паровых и гидравлических турбин, в учете влияния на процесс регулирования длинного трубопровода;

- Гурвица, разработавшего детерминантный критерий устойчивости по просьбе Стодолы (детерминантный – от лат.: “определитель” - определяющий);

- Рауса, разработавшего алгоритм для оценки расположения корней характеристического уравнения и устойчивости (по рекомендации Максвелла).

В 1892 году А.М. Ляпунов опубликовал работу “Общая задача устойчивости движения”, в которой доказал возможность решения вопросов устойчивости регулирования. Большой вклад в развитие автоматики внесли работы русских ученых Циолковского и Жуковского. Н.И. Жуковский является автором труда “О прочности движения” и первого русского учебника “Теория регулирования хода машин” (1909 г.), в которых дал описание процессов в длинных трубопроводах, рассмотрел влияние сухого трения в регуляторах, исследовал некоторые процессы импульсного регулирования посредством уравнений в конечных разностях.

Значительное развитие получили работы по теоретическим и прикладным вопросам автоматики в нашей стране. Фундаментальные работы выполнены И.Н. Вознесенским, А.А. Андроновым, И.М. Крыловым, А.Н. Колмогоровым, А.В. Михайловым, В.Н. Петровым, Л.С. Понтрягиным, А.А. Фельдбаумом, В.В. Солодовниковым, А.Г. Бутковским и многими другими. Эти работы способствовали установлению приоритета нашей науки в ряде ведущих областей теории управления.

Развитие науки позволило осуществить широкое внедрение автоматического управления в технике и промышленности, в том числе в металлургии и химической промышленности.

Начало работ по автоматизации процессов черной металлургии СССР следует отнести к концу тридцатых годов двадцатого века, когда были разработаны и внедрены системы регулирования теплового режима мартеновских печей на Магнитогорском и Кузнецком металлургических комбинатах.

В довоенные и первые послевоенные годы основные усилия были направлены на создание систем автоматического регулирования отдельных параметров теплового и технологического режимов металлургических агрегатов, таких как температура, давление, расход, уровень, влажность и других.

Широко развернулись работы по автоматизации процессов черной металлургии в пятидесятые годы. Созданы системы регулирования доменных и мартеновских печей, нагревательных и термических печей, прокатных станов, различных энергетических установок. Существенные результаты были получены в области автоматизации процессов электроплавки – разработаны системы управления тепловым и электрическим режимами дуговых печей. В эти же годы В.А. Сорокиным была осуществлена первая попытка применения ЭВМ для расчёта и управления теплового состояния доменной печи.

Со второй половины шестидесятых годов в связи с развитием ЭВМ и появлением достаточно дешёвых, надёжных и быстродействующих ЭВМ в мире появились первые автоматизированные системы управления (АСУ).

Это особенно стало необходимым в связи с появлением и развитием высокопроизводительных агрегатов большой единичной мощности и быстродействующих технологических процессов. В металлургии были созданы 350-ти тонные кислородные конвертеры, прокатные станы производительностью более 5 млн. тонн проката в год и др., поэтому существенно возросли требования к качеству продукции и экономичности производства.

АСУ построены на базе управляющих вычислительных комплексов (УВК), представляющих собой специализированную промышленную ЭВМ, предназначенную для вычислений и реализации функций автоматизированных систем управления. Именно разнообразие этих функций позволило поднять автоматизацию на качественно новый уровень. Автоматизированные системы управления развиваются в двух основных направлениях: автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП) и автоматизированные системы управления производственными процессами (АСУП).

До АСУТП имели место так называемые “локальные” системы автоматического регулирования (САР), в которых за функционирование отдельно взятого контура регулирования определённого технологического параметра отвечал свой автоматический регулятор (лат.: “локальный”- местный, ограниченный по месту).

Согласованная работа контуров, число которых в технологическом процессе может быть большим, проводилась оперативным персоналом.

В АСУТП насчитываются десятки – тысячи отдельных локальных контуров регулирования, согласование которых также проводит оперативный персонал, но при использовании управляющего вычислительного комплекса. Таким образом, локальные САР входят в АСУТП, как составная часть.

Автоматизированные системы управления производственными процессами выполняет функции: маркетинга, календарного планирования, поставок сырья, сбыта готовой продукции, финансирования и т.д. Объектом управления для АСУП является трудовой процесс непосредственного производства товарной продукции и вся административно-хозяйственная деятельность предприятия, неизбежно сопровождающая основной процесс производства продукции

В настоящее время созданы принципиально новые системы управления – интеллектуальные АСУ, использующие принципы и методы искусственного интеллекта.

Развитие промышленного производства включает в себя три основные составляющие:

  • наука;

  • проектирование;

  • производство (внедрение).

Автоматизация используется не только в промышленном производстве в виде АСУТП И АСУП. В науке создаются автоматизированные системы научных исследований (АСНИ), которые позволяют на порядок увеличить производительность труда ученых.

В промышленности созданы системы автоматизированного проектирования (САПР), которые позволяют увеличить скорость проектирования, значительно уменьшая число ошибок в проекте.

Технический прогресс, осуществляемый на основе автоматизации, включает в себя три основные составляющие: АСНИ – САПР - АСУТП, что позволяет значительно повысить эффективность, как научных разработок, так и конечных производственных результатов.
Лекция 2
2.1 Основные понятия и задачи автоматизации
В современной технике используется огромное число автоматических устройств и систем, предназначенных, однако, для решения лишь нес­кольких основных задач автоматизации: сигнализации, контроля, блоки­ровки и защиты, пуска и останова, управления. В соответствии с этими задачами подразделяются и системы автоматики.

^ Системы автоматической сигнализации (САС) предназначены для изве­щения обслуживающего персонала о состоянии технологической установки или протекающего в ней технологического процесса.

^ Системы автоматического контроля (САК) осуществляют без участия человека контроль (т.е. измерение и сравнение с нормативными показателями) различных величин, характеризующих работу техноло­гического агрегата или протекающий в нем технологический процесс. В промышленном производстве часто используют системы централизованного контроля (СЦК), в которых вся технологическая информация собирается и обрабатывается на центральном пульте управления.

^ Системы автоматической блокировки и защит служат для предотвра­щения возникновения аварийных ситуаций в агрегатах и устройствах.

Системы автоматического пуска и останова обеспечивают включение, переключение и отключение различных приводов и механизмов агрегата или технологической установки по заранее заданной программе.

^ Системы автоматического управления (САУ) предназначены для управ­ления работой тех или иных технических устройств и агрегатов или про­текающими в них технологическими процессами.

Важнейшими и наиболее сложными из перечисленных систем являются системы автоматического управления.

Управлением в широком смысле слова называется организа­ция какого-либо процесса, обеспечивающего достижение поставленной це­ли.

Основной задачей любого процесса управления является выработка и реализация таких решений, которые при данных условиях обеспечивают наиболее эффективное достижение цели управления.

Целями управления технологическими процессами и агрегатами могут быть:

  • поддержание постоянного значения некоторой физической величины с заданной точностью;

  • изменение величины по определенной, заранее за­данной программе;

  • получение оптимального значения величины или неко­торого обобщающего комплекса величин (максимальная производительность агрегата, минимальная стоимость продукта, минимальное время перехода объекта из одного состояния в другое) и т.д.

Если управление осущест­вляется непосредственно человеком, то такое управление называют руч­ным. Если же управление осуществляется без непосредственного участия человека, то такое управление называют автоматическим. Автоматическое управление производится с помощью автоматически действующих управля­ющих устройств. Объект управления и управляющее устройство составляют систему автоматического управления (САУ).

При наиболее простых целях управления (поддержание постоянного значения величины, изменение величины по заданной программе и др.) процесс управления называют регулированием. Объекты управления - объектами регулирования (ОР), управляющие устройства - автоматическими регуляторам, а системы автоматического управления - системами авто­матического регулирования (САР).

Автоматическое регулирование – это одна из важнейших функций автоматического управления, без осуществления которой невозможна работа большинства систем управления. В сложных системах управления, особенно с использованием ЭВМ, управлением называют процесс выработки необходимого решения, а регулированием - его реализацию на объекте.
^ 2.2 Структурная схема системы автоматического регулирования одной величины.
Взаимодействие элементов системы принято изображать с помощью структурных схем, на которых элементы показываются простыми геометрическими фигурами, а связи между ними - соединительными линиями со стрелками, показывающими направление передачи сигнала.


Рис. 2.1. Элемент системы автоматического регулирования с одной входной и одной выходной величинами.
В любом элементе системы (рис. 2.2) можно выделить т физических величин (переменных), воздействующих на этот элемент и называемых входными величинами хвх1вх2,…,хвхm (группа входных величин ).


На выходе элемента имеется n величин xвых1, xвых2,…, xвыхn, характеризующих результаты протекающих в нем процессов и называемых выходными величинами (на рис 2.2 группа выходных величин ).


Рис. 2.2. Элемент системы автоматического регулирования с несколькими входными и выходными величинами.
Каждая входная величина воздействует на одну или несколько выходных величин; в общем случае . В простейших случаях элемент имеет одну входную и одну выходную величины (рис.2.1) и значение хвых полностью определяется значением хвх.

Обычно через данный элемент существует однонаправленность воз­действия (элемент обладает детектирующими свойствами), т.е. хвх оказывает влияние на хвых, но не наоборот. В более сложных случаях выходная величина элемента хвых может оказывать обратное воздействие на его вход. При этом говорят о наличии обратной связи, которая на структурной схеме (рис. 2.3) представлена элементом обратной связи (ОС).



Рис 2.3. Элементы системы автоматического регулирования с обратной связью.
Обратная связь называется положительной, если ее введение увеличивает значение выходной величины хвых (по сравнению со значением хвых без обратной связи) и отрицательной, если уменьшает значение хвых. При положительной обратной связи выходная величина элемента обратной связи хо.с. суммируется с входной величиной хвх, при отрицательной – вычитается. Таким образом, входная величина основного элемента при введении обратной связи:


На рисунках 2.4.-2.6. показаны структурные схемы простейшего объекта регулирования и регулятора.


Рис. 2.4. Структурная схема объекта регулирования с несколькими входными величинами
На вход объекта регулирования (рис 2.4) поступают два типа величин хвх:

- внешние возмущающие воздействия (возмущения) z;

- и регулирующие (управляющие) воздействия у.

Возмущающими называются воздействия, которые выводят объект из состояния равновесия, т.е. нарушают его материальный или энергетический баланс.

^ Регулирующие (управляющие) воздействия представляют собой воздействия, восстанавливающие прежнее равновесие объекта или переводящие его в новое состояние равновесия.

В технических объектах и возмущающие, и регулирующие воздействия сводятся к изменению подачи (отвода) вещества или энергии, только первые возникают стихийно, вторые осуществляются целенаправленно. Совершенно очевидно, что для осуществления регулирующих воздействий требуются соответствующие ресурсы вещества или энергии, без которых управление невозможно.

Выходная величина объекта х характеризует состояние объекта и называется регулируемой (управляемой) величиной (в общем случае объект регулирования имеет много входных и выходных величин – многомерный объект, как на рис 2.2).

Таким образом, на вход объекта поступают два типа входных величин z и y, действующих по разным каналам.

В простейших случаях, когда и возмущающее z=уВ, и регулирующее y воздействия осуществляется по одному каналу, объект регулирования можно свести к элементу с одной входной (y1= y+уВ) и одной выходной величиной (рис.2.5.), называемому одномерным объектом.





Рис. 2.5. Структурная схема одномерного объекта регулирования:

x – регулируемая величина

z=yв – возмущающее воздействие;

у – регулирующее воздействие.

Объект регулирования может быть разделен на более простые элементы, отличающиеся по выполняемым функциям (рис 2.6.);

  • регулируемый участок (собственно технологический процесс или агрегат);

  • чувствительный элемент, дающий информацию о значении регулируемой величины;

  • преобразующий элемент, предназначенный для преобразования сигнала чувствительного элемента в более удобную форму по величине или физической природе;

  • регулирующий орган, предназначенный для реализации регулирующего воздействия y на объекте.


Y Z Х




Рис. 2.6. Развернутая структурная схема объекта регулирования:

РО – регулирующий орган;

РУ – регулируемый участок;

ЧЭ – чувствительный элемент;

ПЭ – преобразующий элемент.
Чувствительный и преобразующий элементы образуют датчики систем автоматики.

Объекты регулирования, которые возможно характеризовать значением ре­гулируемой величины x в одной точке пространства, называются объектами регулирования с сосредоточенными параметрами.

Некоторые другие объекты необходимо характеризовать значением регулируемой величины x в нескольких точках пространства (температура металла по длине зоны вторичного охлаждения в МНЛЗ, давление газов по высоте доменной печи) или распределенными в пространстве регулирующими воздействиями. Такие объекты называются объектами с распределенными параметрами.



Хо
  1   2   3   4   5   6   7



Скачать файл (590.3 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации