Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат на тему:

Объекты автоматизации

Выполнил: Матвеев К.В.

студент группы АИ-21



Содержание

автоматизация управление технологический технический

Введение

1. Виды и характеристики объектов автоматизации

2. Структура и принципы управления технологическими процессами

3. Автоматизация технологических процессов

4. Автоматизированная система управления

5. Типовые технические решения при автоматизации технологических процессов

6. Математическое описание объектов автоматизации

Заключение

Список литературы



Введение

Автоматизация -- одно из направлений научно-технического прогресса, применение саморегулирующих технических средств, экономико-математических методов и систем управления, освобождающих человека от участия в процессах получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов или информации, существенно уменьшающих степень этого участия или трудоёмкость выполняемых операций. Требует дополнительного применения датчиков (сенсоров), устройств ввода, управляющих устройств (контроллеров), исполнительных устройств, устройств вывода, использующих электронную технику и методы вычислений, иногда копирующие нервные и мыслительные функции человека. Наряду с термином автоматический, используется понятие автоматизированный, подчеркивающий относительно большую степень участия человека в процессе.

Автоматизируются:

· производственные процессы;

· проектирование;

· организация, планирование и управление;

· научные исследования.

· бизнес-процессы

Цель автоматизации -- повышение производительности труда, улучшение качества продукции, оптимизация управления, устранение человека от производств, опасных для здоровья, повышение надежности и точности производства, увеличение конвертируемости и уменьшение времени обработки данных.

Автоматизация, за исключением простейших случаев, требует комплексного, системного подхода к решению задачи, поэтому решения стоящих перед автоматизацией задач обычно называются системами, например:

· система автоматического управления (САУ);

· система автоматизации проектных работ (САПР);

· автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП).

Автоматизация обладает рядом преимуществ и недостатков в сравнении с предыдущим этапом технического развития.

К основным преимуществам можно отнести:

· Замена человека в задачах, включающих тяжелый физический или монотонный труд.

· Замена человека при выполнении задач в опасных условиях (а именно: пожар, космос, извержения вулканов, ядерные объекты, под водой и т.д.)

· Выполнение задач, которые выходят за рамки человеческих возможностей по весу, скорости, выносливости и т.д.

· Экономика улучшения. Автоматизация может вносить улучшения в экономику предприятия, общества или большей части человечества.

Основными недостатками автоматизации являются:

· Рост уровня безработицы из-за высвобождения людей в результате замены их труда машинным.

· Технические ограничения.

· Угрозы безопасности / Уязвимость.

· Непредсказуемые затраты на разработку.

· Высокая начальная стоимость.

В качестве объектов автоматизации (ОА) можно понимать либо материальные объекты (помещения, установки, машины, выполняющие технологические процессы), либо непосредственно сами технологические процессы. Единого мнения по определению ОА пока нет. С одной стороны, важна эффективность технологических процессов. И в этом смысле под ОА целесообразно понимать именно сам процесс. Например, процессы кормораздачи, горения пламени, формирования биомассы, обработки и накопления информации. С другой стороны, большинство технологических процессов происходит в материальных объектах: животноводческих фермах, калориферах, теплицах, процессорах и т. п. И человек воздействует на эти процессы, как правило, с помощью материальных органов. Поэтому в качестве ОА столь же обоснованно можно принимать материальные носители технологических процессов.



1. Виды и характеристики объектов автоматизации

Технологический процесс как ОА характеризуется несколькими качественными и количественными показателями, на которые влияет ряд возмущающих и управляющих воздействий. Одни возмущения, влияющие на ход ТП, можно контролировать (прирост массы животных на откорме, наступление фазы цветения растений), а другие могут иметь случайный и неконтролируемый характер (поломки оборудования, заболевания животных и растений). Управляющие воздействия регламентируются распорядком дня, режимом работы технологического оборудования, производственными инструкциями и т. д. Технологическая установка как ОА характеризуется некоторыми показателями качества -- технологическими параметрами, являющимися выходными координатами, а также искусственно создаваемыми входными воздействиями, прямо или косвенно влияющими на состояние ОА. Простейшие ОА имеют одну выходную величину и соответственно одно входное воздействие. Например, у водонагревателя-термоса выходной величиной (параметром) является температура воды, а регулирующим воздействием -- электрическое напряжение Uc, подаваемое на электронагреватели (рис. 1.1)

Рис. 1.1 Водонагреватель-термос как объект регулирования: б -- входная величина (электрическое напряжение (Uc); у -- выходная величина (температура воды ив)

К простым можно отнести также технологические установки с несколькими входными и выходными координатами, если между этими координатами не существует функциональных взаимосвязей. Такой объект можно рассматривать как несколько простейших по соответствующим параметрам и каналам входных воздействий. Например, в свинарниках при смешивании комбикорма с водой и другими добавками процессы заполнения смесителя компонентами вполне допустимо рассматривать раздельно (рис. 1.2).

Рис. 1.2 Кормосмеситель как объект управления загрузкой: б1, б2 -- входные воздействия (подача воды Qв и комбикорма Qк в смеситель); y1, y2 -- выходные величины (влагосодержание кормосмеси Wкс и концентрация в ней корма Ск)

И наконец, сложные объекты с несколькими взаимосвязанными входными и выходными координатами требуют учета взаимного влияния смежных воздействий и параметров. Например, при регулировании микроклимата вентиляция влияет не только на концентрацию газов СО2, NH3, H2S в помещении, но и на температуру и влажность. В свою очередь испарение повышает влажность и понижает температуру (рис. 1.3).

Рис. 1.3 Птичник как объект регулирования микроклимата: б1, б2, б3 -- входные величины; у1, у2, у3 -- выходные величины

При небольшом числе взаимосвязанных координат обычно удается установить главные для данного процесса параметры, которым следует отдать предпочтение в процессе управления. Тогда остальные параметры можно рассматривать как второстепенные (зависимые). Однако в современном сельскохозяйственном производстве много технологических объектов, гораздо более сложных по структуре взаимосвязей. Например, птицеферма представляет собой объект с множеством выходных координат (параметры микроклимата, кормления, освещения, уборки помета и сбора яиц, поения и санитарного состояния) и целым рядом управляемых воздействий по обслуживанию птиц. Между этими координатами существуют определенные связи. Все рассмотренные объекты автоматизации имеют сложную внутреннюю структуру и могут быть представлены рядом элементарных функциональных звеньев, определенным образом соединенных между собой. В простейшем случае в структуре ОА можно выделить объект управления ОУ (рис. 1.4) -- технологический процесс, рассматриваемый изолированно, и регулирующий орган РО -- устройство, обеспечивающее целенаправленное воздействие Xр на ОУ.

Рис. 1.4 Структура простейшего объекта автоматизации: Xр -- целенаправленное воздействие

Взаимосвязь между обобщенными координатами объектов управления выражается статическими и динамическими характеристиками. Статическая характеристика ОУ представляет собой зависимость между выходной координатой у (параметром процесса) и результирующим значением входной координаты х -- воздействием в установившемся режиме, т. е. функцию у = f(х) (рис. 1.5). Как очевидно из графика, статическая характеристика может быть линейной (1) и нелинейной (2 или 3). Следует иметь в виду, что статическую характеристику может иметь только статический объект, т. е. такой, который при любом значении х имеет определенное положение и соответствующее ему значение у.

Рис. 1.5 Статические характеристики объектов управления

Если после подачи на вход ОУ воздействия х выходная координата принимает установившееся значение не мгновенно, то такой ОУ называется динамическим и для его описания требуются динамические характеристики. Одной из распространенных характеристик, отражающих динамические свойства ОУ, является кривая переходного процесса.



Рис. 1.6 Динамика переходного процесса

Эта кривая иллюстрирует зависимость выходной координаты у от времени t при воздействии на вход ОУ единичного ступенчатого сигнала x0 (рис. 1.6).

2. Структура и принципы управления технологическими процессами

В общем виде структура управления ТП показана на рис. 2.1. Все многообразие задач, возникающих в ходе управления ТП, можно классифицировать по трем группам:



Рис. 2.1 Структурная схема управления ТП

автоматическое управление ТП -- обеспечивает выработку управляющих воздействий и их реализацию на основании информации о всех контролируемых и управляющих величинах. Автоматическую стабилизацию регулируемых параметров обеспечивает система автоматического регулирования.

автоматический контроль за ходом ТП -- представляет оператору информацию о ходе ТП, его количественных и качественных показателях. Виды автоматического контроля: непрерывный контроль и контроль предельных значений;

автоматическая сигнализация -- оповещает оператора о ходе ТП, предельных или аварийных значениях контролируемых величин, месте и характере нарушения ТП.

При автоматизации сельскохозяйственных ТП используют следующие принципы:

логического управления -- применяют для управления поточно транспортными линиями приготовления и раздачи корма, уборки навоза и т. д. в тех случаях, когда необходимо последовательно пускать, переключать и останавливать механизмы, а также при наличии блокировок, обеспечивающих нормальное функционирование ТП и защиту оборудования в аварийных ситуациях. Для логического управления важно знать состояние ТП в предшествующий момент времени. Принцип логического управления использован, например, в схемах управления оборудованием в поточно-транспортных системах (АВМ-1,5; КОРК-15 и т. д.);

программного управления -- реализуют в разомкнутых САУ. Управляемая величина изменяется по заранее заданной программе. Например, дозу жидкого корма, раздаваемого свиньям, устанавливают в зависимости от состояния животных и поедаемости корма один раз в 10 дней и далее не корректируют. В отличие от принципа логического управления знание состояния ТП в предшествующий момент времени необязательно;

управления по отклонению -- используют в замкнутых САУ. Например, при регулировании уровня воды в баке водокачки неконтролируемые возмущения по нагрузке объекта (изменение расхода воды) или по каналу регулирующего воздействия (изменение подачи насоса) автоматически компенсируются в процессе стабилизации регулируемого параметра (уровня). Недостаток управления по отклонению -- низкие эксплуатационные характеристики в случае значительной инерционности объекта;

управления по возмущению -- используют в разомкнутых САУ. Управляющее воздействие принимают исходя из анализа действующих на систему возмущений. Например, решение о загрузке бункера принимают по результатам анализа расходования кормов в связи с тем, что непрерывный контроль уровня сыпучих материалов затруднителен. Недостатки управления по возмущению -- накопление ошибки регулирования и неспособность управляющего устройства компенсировать непланируемые возмущения;

комбинированного управления -- это комбинация принципов регулирования по отклонению и возмущению. Например, система управления обогревом свинарника включает в себя замкнутую САУ температурой электрообогреваемого пола и разомкнутую систему включения инфракрасного обогрева в зависимости от температуры воздуха.

Все пять рассмотренных принципов управления могут быть осуществлены в системах:

· местного управления (оператор следит за ходом ТП и управляет им, находясь рядом с технологической линией);

· дистанционного управления (оператор следит за ходом ТП по мнемосхеме; при этом улучшаются условия его работы, но контроль за ходом процесса ухудшается);

· централизованного управления (оператор следит за ходом ТП с центрального пульта, имеющего развитую систему контрольно-измерительных приборов или ЭВМ).

3. Автоматизация технологических процессов

Автоматизация технологического процесса -- совокупность методов и средств, предназначенная для реализации системы или систем, позволяющих осуществлять управление самим технологическим процессом без непосредственного участия человека, либо оставления за человеком права принятия наиболее ответственных решений.

Основа автоматизации технологических процессов -- это перераспределение материальных, энергетических и информационных потоков в соответствии с принятым критерием управления (оптимальности).

Основными целями автоматизации технологических процессов являются:

· Повышение эффективности производственного процесса.

· Повышение безопасности.

· Повышение экологичности.

· Повышение экономичности.

Достижение целей осуществляется посредством решения следующих задач:

· Улучшение качества регулирования

· Повышение коэффициента готовности оборудования

· Улучшение эргономики труда операторов процесса

· Обеспечение достоверности информации о материальных компонентах, применяемых в производстве (в т.ч. с помощью управления каталогом)

· Хранение информации о ходе технологического процесса и аварийных ситуациях

Автоматизация технологических процессов в рамках одного производственного процесса позволяет организовать основу для внедрения систем управления производством и систем управления предприятием.

Как правило, в результате автоматизации технологического процесса создаётся АСУ ТП.

Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП) -- комплекс программных и технических средств, предназначенный для автоматизации управления технологическим оборудованием на предприятиях. Может иметь связь с более глобальной Автоматизированной системой управления предприятием (АСУП).

Под АСУТП обычно понимается комплексное решение, обеспечивающее автоматизацию основных технологических операций технологического процесса на производстве, в целом или каком-то его участке, выпускающем относительно завершенный продукт.

Термин «автоматизированный» в отличие от термина «автоматический» подчеркивает возможность участия человека в отдельных операциях, как в целях сохранения человеческого контроля над процессом, так и в связи со сложностью или нецелесообразностью автоматизации отдельных операций.

Составными частями АСУТП могут быть отдельные системы автоматического управления (САУ) и автоматизированные устройства, связанные в единый комплекс. Как правило АСУТП имеет единую систему операторского управления технологическим процессом в виде одного или нескольких пультов управления, средства обработки и архивирования информации о ходе процесса, типовые элементы автоматики: датчики, контроллеры, исполнительные устройства. Для информационной связи всех подсистем используются промышленные сети.

В связи с различностью подходов различают автоматизацию следующих технологических процессов:

· Автоматизация непрерывных технологических процессов (Process Automation)

· Автоматизация дискретных технологических процессов (Factory Automation)

· Автоматизация гибридных технологических процессов (Hybrid Automation)

4. Автоматизированная система управления

Автоматизированная система управления или АСУ -- комплекс аппаратных и программных средств, предназначенный для управления различными процессами в рамках технологического процесса, производства, предприятия. АСУ применяются в различных отраслях промышленности, энергетике, транспорте и т. п. Термин автоматизированная, в отличие от термина автоматическая подчёркивает сохранение за человеком-оператором некоторых функций, либо наиболее общего, целеполагающего характера, либо не поддающихся автоматизации.

Виды АСУ:

· Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП) -- решает задачи оперативного управления и контроля техническими объектами в промышленности, энергетике, на транспорте;

· Автоматизированная система управления производством (АСУ П) -- решает задачи организации производства, включая основные производственные процессы, входящую и исходящую логистику. Осуществляет краткосрочное планирование выпуска с учётом производственных мощностей, анализ качества продукции, моделирование производственного процесса. Для решения этих задач применяются MIS и MES-системы, а также LIMS-системы.

5. Типовые технические решения при автоматизации технологических процессов

Общая задача управления ТП -- минимизация (максимизация) некоторого критерия (себестоимость, затраты энергии и т. д.) при выполнении ограничений на технологические параметры, налагаемые регламентом. Поскольку решение этой задачи для всего процесса в целом затруднительно, весь ТП следует разбить на отдельные участки, чтобы участок соответствовал законченной технологической операции (кормоприготовление, обработка молока и т. д.). Тогда для отдельной стадии ТП критерий оптимальности установить значительно проще.

Технологические процессы одного типа (например, процессы нагрева) могут различаться методами исполнения, физико-химическими свойствами участвующих в них потоков сырья и т. п. Однако все они подчиняются одним и тем же законам и общим закономерностям.

К числу технологических параметров, подлежащих контролю и регулированию, относят расход, уровень, давление, температуру и ряд показателей качества.

Регулирование расхода. Системы регулирования расхода характеризуются малой инерционностью и частой пульсацией параметра. Обычно системы управления расходом -- это дросселирование потока вещества с помощью клапана или шибера; изменение напора в трубопроводе за счет изменения частоты вращения лопастей насоса или степени байпасирования (отведения части потока через дополнительные каналы). Принципы действия регуляторов расхода G жидких и газообразных сред показаны на рис. 5.1.

.

Рис. 5.1 Схема регулирования расхода: а -- жидких и газообразных сред; б -- сыпучих материалов; FE, РЕ -- датчики расхода соответственно жидких сред и сыпучих материалов; FC, PC -- регуляторы расхода

Регулирование уровня. Системы регулирования уровня имеют те же особенности, что и системы регулирования расхода. Постоянство уровня свидетельствует о равенстве количеств подаваемой Gвх и расходуемой Gвых жидкости. Это условие может быть обеспечено воздействием на подачу или расход (рис. 5.2.)

Рис. 5.2 Схемы регулирования уровня: а -- с воздействием на подачу; б -- с воздействием на расход среды; LE -- датчик уровня; LC -- регулятор уровня

Регулирование давления. Постоянство давления, как и постоянство уровня, свидетельствует о материальном балансе объекта. Поэтому способы регулирования давления аналогичны способам регулирования уровня. Регулирование температуры. Температура -- показатель термодинамического состояния системы. Динамические характеристики САР температуры зависят от физико-химических параметров процесса и конструкции аппарата, поэтому общие рекомендации по синтезу САР температуры не могут быть сформулированы. Особенность САР температуры -- значительная инерционность объекта и нередко измерительного преобразователя. Принципы реализации регуляторов температуры аналогичны принципам реализации регуляторов уровня с учетом управления расходом энергии в объекте.

Регулирование pH продукта. Общая особенность объектов при регулировании pH -- нелинейность их статических характеристик. Следствие этого -- необходимость адаптации параметров настройки регулятора к нагрузке объекта.

6. Математическое описание объектов автоматизации

Классификация математических моделей. Поскольку многие современные ТП очень сложные, для создания САУ необходимо располагать математическим описанием процессов, происходящих как в самой системе, так и в ее элементах. Под математическим описанием (математической моделью) подразумевается совокупность уравнений и граничных условий, описывающих зависимость выходных величин от входных в установившемся и переходном режимах. В связи с этим различают математические модели двух классов:

· установившегося режима (статическая модель);

· переходного режима (динамическая модель);

Динамические модели имеют вид уравнений, описывающих изменение во времени выходных величин систем (элементов) в зависимости от изменения входных. Эти уравнения, как правило, записывают в дифференциальной форме. Их частный случай -- дифференциальные уравнения нулевого порядка (алгебраические уравнения) -- описывают установившийся режим. Таким образом, в общем случае математической моделью системы (элемента) с m входными {X1,X2,...,Xm=X } и n выходными координатами { Y1, Y2,...,Ym=Y } называют совокупность уравнений Y =F (X;a), однозначно описывающих поведение величины Y при заданных векторах X и a, где a -- характеристика системы (элемента).

Математическая модель может быть получена аналитическим или экспериментальным методом. В последнем случае она может быть детерминированной (выходная величина однозначно определяется входной) или статистической (входные воздействия носят случайный характер). Дифференциальные уравнения простых объектов автоматизации можно составить, используя закономерность происходящих в них физических явлений. Такими закономерностями могут быть закон сохранения вещества (объект регулирования уровня, давления), закон сохранения энергии (объект регулирования температуры), законы электротехники и т. д. Уравнения статических и переходных режимов составляют на базе уравнений балансов вещества или энергии.

При составлении дифференциальных уравнений сложного объекта (системы) он (она) должен быть расчленен(-а) на ряд простейших элементов, соединенных последовательно. Для каждого из этих элементов составляют математическую модель статики или динамики, а затем получают дифференциальное уравнение объекта (системы), исключая промежуточные величины. В большинстве случаев уравнения элементов нелинейны, и поэтому дифференциальное уравнение системы, как правило, тоже нелинейно и подлежит линеаризации.

С целью упрощения задачи при аналитическом методе построения математической модели допускают определенные упрощения (пренебрегают распределенностью параметров, исключают некоторые возмущающие воздействия и т. д.).

В качестве примера рассмотрим процесс вентиляции животноводческого помещения объемом V с содержанием диоксида углерода С0 (%) при производительности а (м3/мин). Входная величина объекта -- производительность вентиляторов, выходная -- концентрация диоксида углерода в помещении. Обозначим содержание диоксида углерода в воздухе в момент времени t через х (%). Составим за промежуток времени dt (мин), прошедший от момента t, баланс диоксида углерода, содержащегося в помещении. За это время вентиляторы доставили в помещение количество воздуха, равное 0,01С0adt. Следовательно, всего за период dt количество диоксида углерода (м3) в воздухе уменьшилось на dV = (0,01х - 0,01C0)adt.

Обозначив через dx процентное уменьшение количества диоксида углерода в воздухе, это же количество можно подсчитать по другой формуле:

Приравнивая между собой оба выражения для dV, составляем дифференциальное уравнение:

Разделяя переменные, находим:

Чтобы получить такое простое уравнение, пришлось допустить, что концентрация диоксида углерода во всех частях помещения в каждый момент времени одинаковая, т. е. чистый воздух смешивается с загрязненным практически мгновенно.

Методы идентификации объекта. Известны два метода экспериментального определения (идентификации) характеристик объектов автоматизации -- активный и пассивный. В первом методе испытательное воздействие стандартной формы задают искусственно, во втором -- объект исследуют, сопоставляя выходные и входные величины в условиях его нормальной эксплуатации.

Выбор метода идентификации объекта автоматизации определяется характером поставленной задачи, условиями опытов, характером эксплуатационных возмущений и допустимыми по технологическим требованиям отклонениями исследуемых величин.

Метод активного эксперимента по исследованию статических характеристик проводят в следующем порядке.

1. Изучают ТП, оборудование и устанавливают взаимные связи между входными х и выходными у координатами.

2. Каждую входную величину изменяют ступенчато в пределах рабочего диапазона и спустя (2…3)Ту (здесь Ту -- длительность переходного процесса) фиксируют значение выходной величины у. Например, для определения статических характеристик зимней теплицы с водяным обогревом следует установить ряд соотношений между расходом воды через регулирующий клапан и температурой воздуха в средней точке теплицы. При этом температуру следует измерять после стабилизации температурного режима сооружения. Опыт повторяют по каждому из каналов исследования многократно (обычно 6…10 раз).

3. Поскольку полученные зависимости y= f ( x1,x2...) могут быть искажены помехой, их следует сгладить, используя один из известных методов. Например, метод скользящего среднего или метод наименьших квадратов. При подборе аппроксимирующей функции необходимо учитывать два требования:

· функция должна с максимальной точностью воспроизводить реальную зависимость;

· функция должна быть простой и удобной для использования в качестве расчетной формулы.

При выборе вида аппроксимирующей функции целесообразно обратить внимание на известную информацию об изучаемом процессе. Вполне вероятно, что идентифицируемое явление ранее уже исследовалось и на сегодняшний день известны физические закономерности, определяющие взаимосвязь входных и выходных величин. В этих случаях для математического описания процесса могут быть использованы такие распространенные зависимости, как экспоненциальные, тригонометрические, а также двухпараметрические функции вида y=a+b/x; y= 1/a +bx = + 1/ ; y=1/ a=blnx и т.д.

Если физических предпосылок к выбору той или иной функции нет, то в качестве аппроксимирующего выражения можно использовать полином из ряда Тейлора:

Для таких выражений процедура нахождения значений параметров ai хорошо разработана, а соответствующие программы написаны практически на всех алгоритмических языках и введены в большинство общематематических прикладных пакетов.

Метод пассивного эксперимента по исследованию статических характеристик реализуют в такой последовательности.

1. Диапазон изменения входной величины х разбивают на равные интервалы (6…12)Дх и все ni точки, попавшие в данный интервал, относят к середине интервала (рис. 6.1). Для каждого интервала находят среднее арифметическое значение ординат ni, точек, соединив которые, получают эмпирическую линию регрессии АВСDЕ.

Рис. 6.1 Эмпирическая линия регрессии при обработке результатов эксперимента

Период квантования Т (время между отдельными замерами входных и выходных величин) принимают не менее чем время корреляции фкор. Время корреляции входной и выходной координат оказывается обычно неодинаковым, и период квантования выбирают по большему из них: Т ? фкор.max. При выборе момента измерений координат возможны два способа:

· синхронный -- x(t) и y(t) измеряют одновременно в моменты времени t = 0; 2T; …; jT. Недостаток этого способа -- зависимость точности измерений от инерционности объекта;

· асинхронный -- величину x(t) измеряют на ф раньше, чем y(t), в этот момент y(jt) в наибольшей степени коррелирует с x(jt - ф). Время ф определяют по максимуму взаимно корреляционной функции.

Длительность эксперимента зависит от периода квантования Т и числа дискрет d. Если входная и выходная координаты подчиняются нормальному закону распределения и уравнение регрессии линейно, то d ?(20…30)k, где k -- число неизвестных коэффициентов уравнения регрессии. Тогда длительность эксперимента Tэ ? Td.

2. Определяют параметры уравнения регрессии, описывающего теоретическую прямую. Теоретическая прямая -- это линия (FL на рис. 6.2.), к которой стремится эмпирическая линия регрессии при t > ?. Как и при обработке результатов активного эксперимента, параметры уравнения регрессии лучше всего определять методом наименьших квадратов.

3. Оценивают меру тесноты связи исследуемых параметров. В случае линейной зависимости у = f(x) используют коэффициент корреляции Rxy, а в случае нелинейной -- корреляционное отношение зxy. Оба названных показателя по модулю изменяются от 0 до 1. Если Rxy или зху равны нулю, то связи между у и х нет. Если же эти показатели равны какому-то числу между 0 и 1, то связь есть, но на выходную величину у помимо х влияют и другие факторы. И наконец, если Rxy или зxy равны единице, то связь между у и х есть, причем она носит не вероятностный, а функциональный характер.

Метод активного эксперимента по определению динамических характеристик объекта может быть осуществлен при использовании апериодических или периодических входных воздействий. В первом случае в результате эксперимента получают временные характеристики (кривые разгона и т. д.), во втором -- частотные характеристики. Апериодические входные воздействия типа ступенчатого возмущения (рис. 6.3, а) или прямоугольного импульса (рис. 6.3, б) реализуют, перемещая регулирующий орган на 5…15 % его полного хода. Эксперимент желательно проводить при нагрузке объекта, соответствующей середине рабочего диапазона xр. Начало и конец эксперимента должны соответствовать установившемуся значению выходной величины, т. е.

где Ту -- время окончания переходного процесса: ориентировочно Ту = (2…3)Tоб; Tоб -- постоянная времени объекта.

Рис. 6.2 Активный эксперимент по определению динамических характеристик: а -- ступенчатое возмущение; б -- прямоугольный импульс

По результатам эксперимента находят единичные переходные характеристики y*t = q (t )/A. Если они отличаются одна от другой при любом 0 < t < Ту не более чем на 15 %, то объект обладает линейной характеристикой. Для дальнейшей обработки принимают единичную усредненную переходную характеристику

Полученные в результате эксперимента временные характеристики подлежат аппроксимации дифференциальными уравнениями или передаточными функциями.

Рассмотрим наиболее простые методы аппроксимации инерционных объектов автоматизации.

1. С помощью одного апериодического звена первого порядка с запаздыванием

где Wоб(р) -- передаточная функция объекта; kоб -- коэффициент передачи объекта; ф -- запаздывание.

Коэффициент kоб рассчитывают как отношение установившегося значения выходной величины у(?) к величине входного воздействия А. Размерность коэффициента передачи зависит от размерностей величин у и А. Значения постоянной времени Tоб и запаздывания ф определяют графически по кривой разгона (переходной характеристике) объекта, как показано на рис. 6.3. Дополнительно проведенная прямая линия касается кривой в точке ее перегиба Е (в этой точке угол между касательной и осью абсцисс максимальный).

2. С помощью n апериодических звеньев первого порядка с запаздыванием

Параметры передаточной функции определяются положением касательной к кривой разгона в той ее части, где скорость изменения выходной величины у постоянная и максимальная. Запаздывание т определяется точкой пересечения касательной с осью абсцисс, а коэффициент передачи -- тангенсом угла а наклона касательной к этой же оси. Таким образом, коэффициент передачи астатического объекта равен отношению скорости изменения выходной величины y(t) к величине входного воздействия А.



Рис. 6.3 Определение динамических характеристик по кривой переходного процесса

Рис. 6.4 Графики переходных процессов



Рис. 6.5 Определение динамических характеристик астатического ОУ по кривой разгона

Входные воздействия типа прямоугольного импульса (рис.6.6) используют в том случае, если условия ТП не допускают длительного входного воздействия. Полученную в результате опыта кривую разгона легко перестроить к стандартному виду и аппроксимировать.

Периодические входные воздействия используют в том случае, если динамические характеристики объекта автоматизации должны быть представлены в виде комплексной частотной характеристики (КЧХ), называемой также амплитудно-фазочастотной характеристикой (АФЧХ).

Сущность эксперимента заключается в подаче на вход объекта периодического воздействия x(t) определенной амплитуды А_вх и частоты о) = 2п/Т(здесь Т -- период воздействия) и фиксировании колебаний выходной величины y(t) с целью определения зависимости амплитуды выходных колебаний Л_вых (со) и сдвига фаз <р (со) между входными и выходными колебаниями от частоты о. Проведение такого эксперимента технически затруднено, поскольку продолжительность опыта на одной и той же частоте со зависит от стабилизации параметров выходных колебаний, которая длится от 5 7*до 15 Г. Кроме того, требуется максимально исключить влияние других возмущений и контролировать смещение оси выходных колебаний. При этом частоту и амплитуду входного воздействия задают специальным генератором синусоидальных колебаний.

Периодические входные воздействия находятся в инфранизкой области диапазона частот 0...0,2с^-1. Начальная частота колебаний со_н = 1/7^, а конечная со_к равна частоте среза, т. е. той частоте, начиная с которой ^вых^к) <о, 1.

Рис. 6.6 Прямоугольный входной импульс

АФЧХ объекта строят по точкам, соответствующим установленной частоте входных колебаний со, координаты которых рассчитывают по формулам

где A(w) -- амплитудно-частотная характеристика (АЧХ);

Тогда передаточная функция в частотной форме примет вид

Если по каким-либо причинам невозможно создать гармонические входные колебания, то целесообразно создавать вручную колебания типа «прямоугольная волна» (рис. 6.8). После двух трех колебаний на выходе измеряют их амплитуду А_ВЬ1Х и сдвиг по фазе ср относительно входных колебаний. Эксперимент повторяют несколько раз при неизменной амплитуде входных колебаний А_вх и изменяющемся их периоде Т. Входной и выходной сигналы должны быть разложены в ряд Фурье, т. е. представлены в виде суммы гармоничных составляющих разных частот:

С достаточной для практических целей точностью можно ограничиться использованием только первых гармоническими разложениями.

Рис. 6.7 Результаты регистрации входных и выходных колебаний при гармонических входных воздействиях



Рис. 6.8 Результаты регистрации входных и выходных колебаний при входных воздействиях типа

Рис. 6.9 Использование АФЧХ для определения параметров объекта

Полученную в результате эксперимента АФЧХ можно использовать для определения параметров объекта k_o6, T_oCl и т, соответствующих его аппроксимации в виде апериодического звена первого порядка с запаздыванием. Методика этого преобразования пояснена на рис. 6.9.



Заключение

Автоматизация -- одно из направлений научно-технического прогресса, применение саморегулирующих технических средств, экономико-математических методов и систем управления, освобождающих человека от участия в процессах получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов или информации, существенно уменьшающих степень этого участия или трудоёмкость выполняемых операций. Требует дополнительного применения датчиков (сенсоров), устройств ввода, управляющих устройств (контроллеров), исполнительных устройств, устройств вывода, использующих электронную технику и методы вычислений, иногда копирующие нервные и мыслительные функции человека.

В качестве объектов автоматизации (ОА) можно понимать либо материальные объекты (помещения, установки, машины, выполняющие технологические процессы), либо непосредственно сами технологические процессы.

Основа автоматизации технологических процессов -- это перераспределение материальных, энергетических и информационных потоков в соответствии с принятым критерием управления (оптимальности).

Основными целями автоматизации технологических процессов являются:

· Повышение эффективности производственного процесса;

Достижение целей осуществляется посредством решения следующих задач:

· Улучшение качества регулирования;

· Повышение коэффициента готовности оборудования;

· Улучшение эргономики труда операторов процесса;

· Обеспечение достоверности информации о материальных компонентах, применяемых в производстве (в т.ч. с помощью управления каталогом);

· Хранение информации о ходе технологического процесса и аварийных ситуациях;



Список литературы

1. И. Ф. Бородин, С. А. Андреев учебник для прикладного бакалавриата 2-е изд.; автоматизация технологических процессов и системы автоматического управления; 2018. 386 c;

2. Капустин, Н. М. Автоматизация производственных процессов в машиностроении: Учеб. для вузов / Под ред. Н. М. Капустина. М.: Высшая школа, 2004. 415 с.

3. Учебник «И.Ф. Бородин, Ю.А. Судник»: «Автоматизация технологических процессов».

Размещено на Allbest.ru

...