Аналоговое регулирование

УПРАВЛЕНИЕ СИСТЕМАМИ И ПРОЦЕССАМИ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

Понятие об АСУ ТП (автоматизированные системы управления технологическим процессом)

 

АСУ ТП – это человеко-машинная система, обеспечивающая:

· автоматический опрос датчиков технологической системы;

· вычисление и выдачу управляющих сигналов на исполнительные устройства технологической системы;

· выдачу информации о состоянии техпроцесса оператору (на пульт оператора);

· хранение информации в архиве.

 

АСУ ТП в процессе управления также способна решать задачу оптимизации.

АСУ ТП управляет технологическим объектом управления (ТОУ).

Вместе с ТОУ АСУТП образует автоматизированный технологический комплекс.

 

Виды управления в АСУ ТП:

▪ Логико-командное управление

▪ Аналоговое регулирование

▪ Программное управление

▪ Адаптивное управление

Логико-командное управление

 

В технологических системах очень часто исполнительный механизм может находиться только в двух состояниях – включенном или выключенном. В таком режиме могут работать электродвигатели, электромагниты (в частности, исполнительные устройства в любой гидравлической системе станка переключаются с помощью электромагнитов).

Очень многие вспомогательные механизмы станков с ЧПУ также могут находиться только во включенном или выключенном состоянии. Для описания работы таких механизмов используется алгебра логики (булева алгебра). Переменные в алгебре логики могут принимать только два значения (логическая «1» – логический «0»), которым удобно поставить в соответствие включенное («1») и выключенное («0») состояния механизма.

Для формирования функций в алгебре логики используются три основные логические операции:

• логическое «И»

• логическое «ИЛИ»

• логическое «НЕ»

Аргументами логических функций являются переменные, которые также принимают только два состояния – «1» и «0». В технологических системах им соответствуют показания двухпозиционных датчиков (включен – x =«1», выключен – x =«0»). Такие датчики широко используются в технологических системах, например, концевые выключатели, которые устанавливаются на станке и ограничивают диапазон перемещений рабочих органов.

Если датчик – аналогового типа, который выдает сигнал, пропорциональный величине измеряемого параметра (например, датчик температуры), то его искусственно приводят к двухпозиционному. Например, можно установить максимальное значение допустимой температуры tºC_доп, при этом, если измеренное значение tºC_изм ниже tºC_доп, то x =«0», а если выше – x =«1».

Таким образом, значение функции описывает состояние исполнительного механизма, а значение аргумента – состояние датчика.

Алгебра логики позволяет описывать работу исполнительных механизмов с помощью логических функций, аргументами в которых являются состояния датчиков технологической системы. В логических функциях используются три основные логические операции – «И», «ИЛИ» и «НЕ».

ЛОГИЧЕСКОЕ «И»

 

Обозначение: ; •; &; And (в программе).

Функция равна «1» лишь в том случае, если все аргументы x_i равны «1». Если хотя бы один из x _i=«0», то функция y равна «0»

Логическое «И» используется в тех случаях, когда для включения/отключения механизма одновременно должно выполняться несколько условий. Например, пусть для включения двигателя главного движения токарного станка одновременно должны выполняться следующие условия:

- автооператор, выносящий заготовку на линию центров, должен быть возвращен в исходное состояние, x ₁=1– исходное состояние автооператора;

- центр задней бабки должен быть подведен, поджимая тем самым заготовку, x ₂=1– центр подведен;

- патрон должен быть зажат, x ₃=1– патрон зажат.

В этом случае функция включения двигателя имеет вид:

 

y ₁= x ₁ x ₂ x _3.

 

ЛОГИЧЕСКОЕ «ИЛИ»

 

Обозначение: ; or (в программе)

Функция равна «1», если хотя бы один из аргументов x_i равен «1».

Логическое «ИЛИ» используется, если для включения/отключения механизма достаточно хотя бы одного из нескольких условий. Такими сигналами являются сигналы аварийного отключения.

Пример: станки с ЧПУ и станки-автоматы обычно имеют ограждение, которое в процессе работы обязательно должно быть закрыто. Если в процессе работы срабатывает концевой выключатель открытого ограждения, то обработка должна прекращаться. Такими же аварийными сигналами, запрещающими дальнейшую обработку, могут быть прекращение подачи СОЖ, превышение температуры в зоне резания допустимого максимального значения, превышение потребляемой мощности двигателя главного движения допустимого максимума. В этом случае сигнал аварийного отключения станка можно описать следующей функцией:

 

y ₂= x ₄ x ₅ x ₆ x ₇, где

 

x ₄=1 – заграждение открыто;

x ₅=1 – СОЖ не подается;

x ₆=1 – t _рез > t _max;

x ₇=1 – P _рез > P _max;

 

ЛОГИЧЕСКОЕ «НЕ»

 

Результат логической операции НЕ равен значению, противоположному значению аргумента, т.е., если x =«0», то «1», и наоборот, если x =«1», то «0». Такое значение называют инверсным значением [латин. inverto — переворачиваю].

Очень часто для того, чтобы включить механизм, некоторый датчик должен быть в выключенном состоянии. При этом в процессе перемещения рабочего органа датчик включается, и в момент его включения перемещение рабочего органа должно заканчиваться.

Рассмотрим перемещение суппорта. Оно должно закончиться в момент касания суппортом датчика крайнего положения. В момент включения и перемещения суппорта этот датчик выключен (т.е. НЕ включен). Таким образом, логическую функцию включения перемещения суппорта можно связать с инверсным показанием датчика крайнего положения. Пусть условием подачи сигнала перемещения суппорта являются ранее введенные x ₁, x ₂, x ₃. Кроме того, двигатель главного движения должен быть включен – x ₈ и резец подведен – x ₉. Крайнее рабочее положение суппорта фиксируется датчиком, которому соответствует x ₁₀. Тогда функцию включения перемещения суппорта можно описать следующим образом:

 

y ₃= x ₁ x ₂ x ₃ x ₈ x _{9 10} .

 

Инверсные показания датчиков могут использоваться не только как условия прекращения подачи сигнала. Например, все сигналы перемещения рабочих органов должны быть связаны с условием, что ограждение закрыто. При этом в любой момент времени при открытии заграждения все механизмы должны остановиться.

С учетом этого сигнал перемещения суппорта будет иметь вид:

 

y ₃= x ₁ x ₂ x _{3 4} x ₈ x _{9 10} .

 

Аналоговое регулирование

 

Этот вид управления используется тогда, когда система должна поддерживать заданный режим работы механизма. Например, заданную частоту вращения шпинделя, заданную температуру в печи отжига, заданную скорость перемещения суппорта, заданную скорость перемещения руки робота. Работу таких механизмов описывает теория автоматического управления. Сами механизмы описываются дифференциальными уравнениями в форме Лапласа. Разные составляющие части системы описываются передаточными функциями, а управляющим сигналом является разностный сигнал между заданным значением параметра и фактическим.

Раньше основными средствами аналогового регулирования были специальные устройства – аналоговые регуляторы, в которых реализация передаточных функций W(p) выполнялась обычными аналоговыми усилителями с обратной связью. Сейчас для этой цели всё больше используются специализированные устройства – контроллеры. В них соответствующее дифференциальное уравнение решается непосредственно.

Контроллеры для управления исполнительным устройством в режиме аналогового регулирования способны реализовывать любую передаточную функцию. Наиболее общим видом управления при этом является пропорционально-интегрально-дифференциальный закон регулирования (ПИД-регулирование). Пропорциональная составляющая обеспечивает усиление слабого сигнала рассогласования (разность между фактическим режимом работы исполнительного устройства и заданным). Интегральная составляющая обеспечивает накопление (интегрирование слабого сигнала рассогласования), в результате чего режим работы исполнительного устройства будет в точности соответствовать заданному. Дифференциальная составляющая обеспечивает быстрое реагирование на изменение заданного режима работы (производная от скачка равна бесконечности).