Автоматические системы контроля, управления и регулирования

Ранее были рассмотрены алгоритмы, описывающие действия разных исполнителей в самых различных ситуациях — как в быто­вых, так и в производственных. Однако любой из этих алгоритмов воспринимался нами как последовательность команд и указаний, отданных человеком, а некая абстрактная машина, которая ука­зывалась как исполнитель алгоритма, представлялась, скорее, в виде человекообразного робота, слышавшего, понимавшего и вы­полнявшего эти команды своими руками.

Конечно, реальные команды алгоритмов не звучат громкими голосами и для их восприятия машинам не нужны уши. Техниче­ские устройства, выполняющие алгоритмы, используют другие способы передачи и приема информации и действуют не руками. Они объединяются в системы, способные путем выполнения мно­жества алгоритмов решать важнейшие задачи автоматизации про­изводства — контроля, управления и регулирования.

Основные понятия и определения 3.1.1. Процессы

Как уже указывалось в гл. I, из всего многообразия производ­ственной жизни мы будем рассматривать только то, что непос­редственно связано с созданием, накоплением, преобразованием и транспортированием материалов, изделий и энергии.

Каждая из перечисленных задач требует совершения опреде­ленных операций в определенной последовательности — только в этом случае задача будет выполнена, т.е. будет достигнута постав­ленная цель. При этом под операцией будем понимать действие, совершаемое определенным образом над определенным объектом на определенном оборудовании. Понятие операции может быть более широким или более узким — это зависит от сложившейся в разных отраслях практики и от того, насколько детально описы­ваются этапы решения задачи. Мы делаем акцент на сущность операции — она является структурной единицей процесса.

37

Процесс — последовательность операций, ведущих к достиже­нию цели.

Изготовление бутерброда, сортировка изделий, погрузка кон­тейнеров, заполнение резервуаров, нагрев вещества до заданной температуры — все это технологические процессы.

Есть на предприятиях еще одна группа процессов, которые непосредственно не связаны с производством, но с точки зре­ния автоматизации их можно рассматривать так же, как техно­логические процессы. Например, нагрев детали до заданной тем­пературы — технологический процесс, но точно так же можно обеспечить поддержание нормальной температуры в производ­ственных помещениях. Контроль состояния дискретных испол­нительных механизмов (открыт —закрыт) — элемент технологи­ческого процесса, но по этому же принципу организована сис­тема охраны помещений (и не только на производстве, но и в жилых домах).

Эти примеры показывают, что при творческом подходе можно применить знания, полученные при изучении автоматизации про­изводства, во многих других областях нашей жизни, в том числе не имеющих к производству никакого отношения.

Управление

Последовательность действий, которые следует предпринять для достижения какой-либо цели, нужно сначала разработать (придумать), затем записать и выполнить. Результатом разработ­ки последовательности действий является план действий в голо­ве разработчика, результатом записи — алгоритм, а результатом выполнения — последовательность операций (технологический процесс).

Если технологический процесс выполняет человек, то ему понятно, как обеспечить выполнение последовательности дей­ствий, предусмотренной алгоритмом. Например, вряд ли у вас вызовет вопросы процесс изготовления бутерброда, описанный ранее.

Для выполнения каких-либо действий машиной нужно обес­печить понимание ею алгоритма как последовательности команд, ведущих к достижению цели. Человеку достаточно увидеть алго­ритм в словесной или графической форме, чтобы реализовать тех­нологический процесс. Машина увидеть алгоритм не может. Даже если он записан на алгоритмическом языке, прочитать его коман­ды машине не по силам.

Следовательно, при машинном исполнении алгоритма между ним и технологическим процессом должен быть посредник, кото­рый обеспечит понимание машиной команд алгоритма. Нужен

38

некий переводчик, умеющий переводить команды в такие воз­действия на машину, которые заставят ее выполнять нужные дей­ствия в соответствии с алгоритмом. Функция, которую предстоит выполнять этому переводчику, называется управлением.

Управление — это формирование воздействий на объект в соот­ветствии с заданным алгоритмом.

Объект, на который производится воздействие, называется объектом управления. Им может быть не только машина, но и че­ловек, предприятие, общество, а также процесс, например тех­нологический.

Формировать управляющее воздействие тоже может как чело­век, так и машина.

Человека, выполняющего функции управления, называют по-разному: управляющий, директор, руководитель, а также води­тель, пилот, машинист и т.д. Человека, управляющего автомати­зированной системой, принято называть оператором. В автомати­ческих системах управляющие воздействия формирует управляю­щее устройство.

Водитель управляет автомобилем в соответствии с планом по­ездки для достижения поставленной цели — попадания на нуж­ную улицу или в нужный город. Он воздействует на автомобиль через руль, педаль тормоза, рычаг переключения передач. Води­тель в этом случае — управляющий, а автомобиль — объект уп­равления. Пилот, ведущий самолет, — тоже управляющий, во всяком случае до тех пор, пока он не передаст управление авто­пилоту. Тогда автопилот станет управляющим устройством, объек­том управления которого будет самолет. Машина будет управлять машиной, т.е. самолет станет полностью автоматической систе­мой.

Любая машина, используемая в качестве объекта управления, обычно способна выполнять одно за другим разные действия, а также выполнять одно и то же действие многократно. Последова­тельность действий (операций) — это уже процесс. Поэтому меж­ду управлением машинами и управлением процессом существен­ной разницы нет.

Управление технологическим процессом — это управление последовательностью операций, т.е. формирование управляющих воздействий на тех, кто эти операции выполняет. В цехе, где ра­боты выполняются вручную, управление технологическим про­цессом сводится к управлению руководителем действиями рабо­чих. Если же действия совершают машины, то управление про­цессом представляет собой формирование воздействий на ма­шины, с тем чтобы они выполняли нужные действия в нужной последовательности в соответствии с алгоритмом. В этом случае воздействовать на машины может как оператор, так и управляю­щее устройство.

39

Сигналы

Как уже было сказано ранее, управление — это формирование воздействий на объект управления. Что представляют собой эти воздействия? Ответ зависит от того, кто или что является объек­том управления.

Если объект управления — человек, то воздействие на него в соответствии с алгоритмом представляет собой отданное ему уст­но или письменно распоряжение о выполнении той или иной последовательности действий, т.е. воздействие является инфор­мационным. Если же объект управления — машина, то воздей­ствие должно быть таким, чтобы оно вызвало у машины ответную реакцию в виде совершаемого ею нужного действия.

Под машиной подразумевается устройство, выполняющее за человека ту или иную работу. Но человеку свойственны два вида работы: умственная и физическая. Умственная работа связана с переработкой информации, физическая — с энергетическим воз­действием на объекты материального мира. Соответственно раз­личаются машины, перерабатывающие информацию, которые называются информационными устройствами, и машины, обеспе­чивающие энергетическое воздействие на объекты, которые на­зываются исполнительными механизмами.

Технологические процессы связаны с созданием и преобразо­ванием объектов материального мира. Для выполнения операций технологического процесса исполнительные механизмы затрачи­вают энергию, поэтому управляющее воздействие, которое зас­тавляет их работать, тоже должно быть энергетическим.

Существует множество вариантов такого воздействия: элект­рическое, механическое, гидравлическое и др. Эти воздействия характеризуются различными физическими величинами: элект­рическим напряжением, перемещением, давлением и т.д. Напри­мер, управляющее воздействие может представлять собой подан­ный на исполнительный механизм электрический ток или напря­жение, созданное в трубопроводе давление, перемещение заслонки и т.д.

Напряжение, давление, перемещение могут быть и больши­ми, и маленькими, действовать в течение разных интервалов вре­мени и иметь разные направления, т. е. эти физические величины могут изменяться. Изменения могут быть связаны с состоянием устройств, формирующих эти величины, а значит, они могут со­держать информацию об этих устройствах.

Информация, которая может быть использована в каких-либо полезных целях, называется полезной информацией, а физическая величина, содержащая эту информацию, называется сигналом.

Сигнал — это изменяющаяся физическая величина, значения которой содержат полезную информацию.

40

Изменяющиеся физические величины, не несущие полезной информации, в теории информации относятся к шумам.

Следует отличать сигнал от его носителя. Носителями сигналов являются материальные объекты, обладающие энергией: элект­рический ток, поток жидкости, свет (электромагнитное поле) и т.д. Соответственно сигналы могут быть электрические, гидрав­лические, световые и др. Практически во всех автоматических си­стемах используют электрические сигналы.

Сигнал является одной из характеристик его носителя: сила тока, давление жидкости, интенсивность света, а в некоторых слу­чаях — время существования сигнала.

Таким образом, управляющие воздействия представляют со­бой сигналы, формируемые оператором или управляющим уст­ройством и передаваемые исполнительным механизмам, которые называются сигналами управления, или управляющими сигналами.

В зависимости от того, какое действие должен выполнить ис­полнительный механизм, возможны два вида управляющих сиг­налов: аналоговые и дискретные. Аналоговые сигналы ис­пользуют в случаях, когда выполняемое действие имеет количе­ственную характеристику: «повернуть заслонку на 4Г», «перемес­тить движок реостата на 27 мм», «увеличить частоту вращения двигателя до 600 об/мин» и т.д. В этом случае управляющее воз­действие должно быть изменяемым, чтобы обеспечить именно такую реакцию исполнительного механизма, которая требуется для правильного выполнения данной операции и всего алгорит­ма, т.е. управляющий сигнал должен содержать информацию о количественной характеристике действия.

Например, исполнительный механизм должен переместить за­готовку в зависимости от заданных условий или на 3 мм, или на 5,1 мм, или на 8,2 мм. Изменяя значение управляющего сигнала, например электрического напряжения, мы должны иметь возмож­ность обеспечить нужное перемещение. Другой пример: для нагре­ва детали до заданной температуры мы должны, подавая соответ­ствующий сигнал, оказать на нагревательное устройство воздей­ствие, приводящее именно к этой температуре. И расстояние, и температура могут быть любыми (конечно, в определенных пре­делах), значит, задающие их управляющие сигналы тоже могут иметь любые значения.

Большинство физических величин могут принимать любые зна­чения. Если они изменяются, то их значения могут становиться чуть-чуть больше или чуть-чуть меньше, причем количество чуть-чуть отличающихся различных значений бесконечно. Такие вели­чины называются аналоговыми. Они непрерывны, т.е. их значе­ния не могут изменяться скачками.

Аналоговыми называются величины, которые могут иметь бес­численное множество значений.

41

Следовательно, управляющие сигналы, которые могут иметь любые значения, тоже являются аналоговыми. Понятие «любые значения» здесь не совсем точное, так как сигналы вырабатыва­ются конкретными устройствами с определенными характерис­тиками, ограниченными, например, напряжением питания. По­этому значения сигналов могут быть любыми только в определен­ных пределах.

Сигналы, которые могут принимать любые значения (в опре­деленных пределах), называются аналоговыми.

Каждый исполнительный механизм под действием аналогово­го управляющего сигнала выполняет предписанное действие на­столько, насколько это определено значением сигнала.

Дискретные сигналы используют в случаях, когда вы­полняемое действие не имеет количественной характеристики, т. е. оно может быть выполнено только однозначно — его невоз­можно выполнить ни чуть-чуть больше, ни чуть-чуть меньше (на­пример: «закрыть клапан», «переместить рычаг до упора», «вклю­чить двигатель», «установить инструмент А в позицию № 7» и т.д.). У клапана могут быть только два состояния: он или открыт, или закрыт (его нельзя закрыть чуть-чуть больше). Точно так же нельзя чуть-чуть больше включить двигатель — он или включен, или выключен. И хотя инструмент А может иметь много позиций, каждая из них однозначна — нельзя установить его в позицию № 7 чуть-чуть больше или чуть-чуть меньше.

В этих примерах управляющий сигнал может быть самым про­стым, например в виде подаваемого на исполнительный меха­низм электрического напряжения. Нет напряжения — нет дей­ствия, подано напряжение — выполняется действие. Возможно, в каких-то случаях это напряжение придется подать несколько раз (например, семь импульсов напряжения, чтобы установить инст­румент в позицию № 7). Но значение подаваемого напряжения стандартное, фиксированное, оно определяется только паспорт­ными данными исполнительного механизма, а не производимым им действием. Для управления важно не значение напряжения, а то, есть оно или нет, т. е. такой управляющий сигнал может иметь только одно из двух фиксированных значений: или ноль, или не­которое значение, определяемое характеристиками объекта уп­равления.

Существуют величины, которые характеризуются множеством фиксированных значений, например количество каких-либо объек­тов, которое всегда выражается целыми числами.

Величины, которые имеют два фиксированных значения или более, называются дискретными.

Дискретные величины по своей природе прерывистые, так как между любыми двумя соседними значениями этих величин име­ется разрыв, называемый шагом дискретизации.

42

Сигналы, имеющие два фиксированных значения или более, также называются дискретными.

В системах контроля и управления обычно используются дво­ичные дискретные сигналы, имеющие только два фиксирован­ных значения, как рассмотренные ранее управляющие сигналы.

Можно создать условия, при которых аналоговые величины проявляют себя как дискретные. Например, масса — аналоговая величина. Но если вы купили несколько пакетов молока по 1 кг каждый, то масса вашей покупки становится дискретной — сколько бы ни было у вас пакетов, их общая масса может иметь только фиксированные значения: 2, 3, 4 кг и т.д. Такое преобразование аналоговой величины в дискретную называется дискретизацией.

Таким образом, любая физическая величина по характеру из­менения ее значения может быть или постоянной (если она имеет только одно фиксированное значение), или дискретной (если она может иметь два и.ш более фиксированных значений), или анало­говой (если она м;;;ет иметь бесчисленное множество значений).

В автоматических системах постоянные по значению физиче­ские величины часто используются в качестве эталонных для срав­нения с ними других величин, изменяющихся в ходе различных процессов.

Мы рассмотрели различные виды управляющих сигналов. Од­нако сигналы могут содержать не только информацию, необходи­мую для управления, но и любую другую информацию, которую нужно передать различным техническим устройствам или опера­тору. Например, сигналы, формируемые различными датчиками, несут информацию о значениях технологических параметров, со­стоянии исполнительных механизмов и т.д.