Автоматизированные и автоматические системы управления

На чтение 29 мин Опубликовано Обновлено

Шкаф АСУ представляет собой узел, в котором содержится автоматизированная система управления. Он обеспечивает работу с разными технологическими производственными процессами без необходимости привлечения сотрудников.

Виды шкафов АСУ ТП

Конструкция и компоненты

Преимущества АСУ ТП

Содержание
  1. Особенности
  2. Виды шкафов АСУ ТП
  3. Конструкция и компоненты
  4. Функции
  5. Преимущества АСУ ТП
  6. .
  7. Цель
  8. .
  9. .
  10. .
  11. Цели автоматизации управления
  12. Цели автоматизации управления
  13. .
  14. Основными классификационными признаками, определяющие вид АСУ
  15. Функции АСУ
  16. Виды АСУ
  17. Примеры АСУ
  18. Примеры АСУ
  19. Примеры АСУ
  20. Основные понятия теории управления техническими системами
  21. Цели, принципы управления, виды систем управления, основные определения, примеры
  22. Структура систем управления
  23. Основные законы управления
  24. Классификация систем автоматического управления
  25. 1.4.1. Классификация по виду математического описания
  26. 1.4.2. Классификация по характеру передаваемых сигналов
  27. 1.4.3. Классификация по характеру управления

Особенности

В составе шкафов имеются различные комплекты оборудования, а они сами обязательно должны функционировать все зависимости от того, в каких условиях ведется работа. Есть несколько требований, актуальных применительно ко всем типам шкафов АСУ:

  • Можно создавать разветвленную систему управления, которая хорошо масштабируется;
  • Узел может работать корректно при влажности до 65% и температуре в пределах -30 — +60 градусов Цельсия, сейсмической активности до 9 баллов.

В последние годы шкафы управления АСУ ТП пользуются повышенной популярностью, и они чаще стали встречаться на многих объектах:

  • Насосные станции;
  • Производства различной направленности;
  • Котельные и ТЭЦ;
  • Пожарные станции;
  • Станции очистки стоков и перекачки воды;
  • Пожарные станции;
  • Объекты общественного назначения, ориентированные на диспетчеризацию и автоматизацию инженерных систем;
  • Газовые установки, станции и пункты;
  • Объекты автоматизации пожарной сигнализации.

Такие управляющие узлы необходимы в конструкциях иного назначения, где требуется выполнить автоматизацию рабочих процессов.

Виды шкафов АСУ ТП

Всего существует 4 вида шкафов АСУ ТП, которые между собой различаются по назначению:

  • Сетевые;
  • Серверные;
  • Кроссовые;
  • Системные.

Серверные шкафы бывают нескольких видов — это серверы, рабочие станции, KVM-консоли.

В качестве сетевых выступают коммутаторы, патч-панели, маршрутизаторы.

Системные шкафы – это обширная категория, куда входят контроллеры, корзины расширения ввода-вывода и прочие. Их можно разделить на шкафы системы управления процессом и обеспечения безопасности.

Кроссовые шкафы выполнены в формате клеммников для подсоединения полевых устройств, барьеров, обеспечивающих защиту от искр, реле, терминальных плат для сопряжения полевых устройств с моделями ввода-вывода. Выпускаются в искробезопасности и неискробезопасном исполнении.

Конструкция и компоненты

Разные версии коммуникационных шкафов АСУ ТП часто обладают различающейся конструкцией. Все зависит от целей их применения. Однако, любое устройство должно содержать 4 компонента, которые признаны обязательными:

  • Рабочий орган – часть, выполняющая поставленную задачу. Примером можно назвать насос, задвижку, электроуправляемый клапан и прочие.
  • Привод рабочего органа, который запускает все в движение. Может быть дизельным, пневматическим, гидравлическим или электрическим.
  • Информационная система, работающая за счет различных термометров, датчиков, спидометров, барометров и прочих. Сигналы вырабатываются на выходе, и они должны быть пропорциональны параметрам, которые отслеживаются. Могут быть аналоговыми, дискретными или частотными.
  • Шкафы управления, которые обеспечивают выработку управляющих воздействий на приводы исполнительных механизмов по командам, поступающим от оператора и по сигналам от наружных датчиков.

Внутреннее наполнение шкафов управления предполагает наличие следующих приборов:

  • Элементы коммутации – разъемные и клеммные соединения, контакторы, автоматические выключатели, реле, пускатели;
  • Аппараты защиты – реле и предохранители защиты от роста сетевого напряжения, перегрузки по току и коротких замыканий;
  • Расходомеры, счетчики;
  • Частотные преобразователи – устройства, которые обеспечивают регулирование частоты вращения асинхронных электродвигателей в широких пределах;
  • Разъемы, необходимые для подсоединения к локальным сетям посредством интерфейса с двумя проводами – RS 495;
  • Устройства плавного пуска – коммутаторы напряжения на базе полупроводников, которые ограничивают пусковые токи электромоторов, а также обеспечивают защиту от перегрузок;
  • Средства управления – программируемые контроллеры на базе микропроцессоров.

Обязательными компонентами любого шкафа АСУ ТП является:

  • Шина защитного заземления;
  • Концевые выключатели, отслеживающие открытие дверей;
  • Изолированная шина заземления для рабочих инструментов;
  • Термостат, обеспечивающий управление нагревателем;
  • Термодатчик для шкафа;
  • Нагреватель;
  • Лампа внутреннего освещения шкафа с розеткой;
  • Замок с ключом;
  • Датчик, который отслеживает задымленность помещения.

Обычно корпус шкафа навешивается на стене, либо устанавливается на специальную подставку или на пол. Выпускается из пластика или металла, оснащен дверцами, съемными обшивками и внутренними панелями.

Для защиты персонала от поражения электрическим током обычно выполняется заземление корпуса. Чтобы обеспечить удобство управления для работников, индикации и сигнализации на передней панели дверцы имеются тумблеры, кнопки, переключатели, приборы для измерения.

Функции

Решить основную задачу АСУ ТП – проведение любых операций по заданному алгоритму и без сбоев, можно, если шкаф будет полноценно выполнять несколько функций:

  • Обеспечить защиту аппаратуры и сети от перегрузок по току, переходить на запасной источник питания в случае, когда основной оказался обесточен;
  • Диагностировать и регулировать рабочие режимы техники и все сопровождающие процессы;
  • Транслировать информацию на пункт диспетчеризации;
  • Активировать систему аварийной сигнализации;
  • Выполнять команды, поступающие от диспетчера;
  • Архивировать поступающие данные;
  • Работать в автоматическом, ручном или полуавтоматическом режиме.  

Преимущества АСУ ТП

Основное назначение систем управления технологическими процессами состоит в том, чтобы существенно облегчить деятельность и быт человека. При внедрении автоматики на любом уровне и с различной функциональностью можно скоординировать работу на предприятии или каком-то производстве. От обслуживающего персонала требуется только координация работы оборудования на объекте, за которым они следят.

Есть несколько преимуществ АСУ ТП:

  • Полноценная защита производственных мощностей;
  • Автоматический замер технических параметров и их регулировка;
  • Сбор сведений для последующей обработки о том, в каком исходном состоянии находится вся система;
  • Посредством автоматических систем управления технологическими процессами обеспечивается руководство объектом на определенном удалении.

Благодаря автоматизации систем управления технологическими процессами можно обеспечить полноценное увеличение производительности, обеспечивая полную безопасность. Это же позволяет сильно снизить трудозатраты.

.

Тема: Автоматизированные
системы управления

Цель

Получить представление
об автоматических и
автоматизированных
системах управления в
различных сферах
деятельности.

.

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 тому подобное.

.

Создателем первых АСУ является доктор
экономических наук, профессор, членкорреспондент Национальной академии
наук Белоруссии, Николай Иванович
Ведута (1913-1998).
Он руководил внедрением первых в стране
автоматизированных систем управления
производством на машиностроительных
предприятиях.

.

Важнейшая задача АСУ– повышение
эффективности управления объектом на
основе роста производительности труда и
совершенствования методов планирования
процесса управления.

Цели автоматизации управления

Предоставление лицу, принимающему
решение (ЛПР) адекватных данных для
принятия решений.
Ускорение выполнения отдельных
операций по сбору и обработке данных.
Снижение количества решений, которые
должно принимать ЛПР.

Цели автоматизации управления

Повышение уровня контроля и
исполнительской дисциплины.
Повышение оперативности управления.
Снижение затрат ЛПР на выполнение
вспомогательных процессов.
Повышение степени обоснованности
принимаемых решений.

.

В состав АСУ входят следующие виды
обеспечений:
информационное
программное
техническое
организационное
метрологическое
правовое
лингвистическое

Основными классификационными признаками, определяющие вид АСУ

сфера функционирования объекта
управления (промышленность,
строительство, транспорт, сельское
хозяйство, непромышленная сфера и так
далее);
вид управляемого процесса
(технологический, организационный,
экономический и так далее);
уровень в системе государственного
управления (всесоюзное объединение,
всесоюзное промышленное объединение,
научно-производственное объединение,
предприятие (организация), производство,
цех, участок, технологический агрегат).

Функции АСУ

планирование и (или) прогнозирование
учет, контроль, анализ
координацию и (или) регулирование

Виды АСУ

Автоматизированная система управления
технологическим процессом или 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.

Примеры АСУ

Автоматизированная система
управления уличным освещением
(«АСУ УО»)– предназначена для
организации автоматизации
централизованного управления
уличным освещением
https://yandex.ru/video/preview/8674735320367992777
Ссылку вставьте в поисковую строку браузера

Примеры АСУ

Автоматизированная система
управления наружного
освещения («АСУНО»)–
предназначена для организации
автоматизации централизованного
управления наружным
освещением.

Примеры АСУ

Автоматизированная система
управления дорожным движением
или АСУ ДД– предназначена для
управления транспортных средств и
пешеходных потоков на дорожной
сети города или автомагистрали
https://yandex.ru/video/preview/17283206752884528283
Ссылку вставьте в поисковую строку браузера



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 тому подобное.

Создателем первых АСУ в СССР является доктор экономических наук, профессор, член-корреспондент Национальной академии наук Белоруссии, основоположник научной школы стратегического планирования Николай Иванович Ведута (1913-1998). В 1962-1967гг. в должности директора Центрального научно-исследовательского института технического управления (ЦНИИТУ), являясь также членом коллегии Министерства приборостроения СССР, он руководил внедрением первых в стране автоматизированных систем управления производством на машиностроительных предприятиях. Активно боролся против идеологических PR-акций по внедрению дорогостоящих ЭВМ, вместо создания настоящих АСУ для повышения эффективности управления производством.

READ  Схема подключения камеры заднего вида

Важнейшая задача АСУ– повышение эффективности управления объектом на основе роста производительности труда и совершенствования методов планирования процесса управления.

Цели автоматизации управления

Обобщенной целью автоматизации управления является повышение эффективности использования потенциальных возможностей объекта управления. Таким образом, можно выделить ряд целей:

  • Предоставление лицу, принимающему решение (ЛПР) адекватных данных для принятия решений.
  • Ускорение выполнения отдельных операций по сбору и обработке данных.
  • Снижение количества решений, которые должно принимать ЛПР.
  • Повышение уровня контроля и исполнительской дисциплины.
  • Повышение оперативности управления.
  • Снижение затрат ЛПР на выполнение вспомогательных процессов.
  • Повышение степени обоснованности принимаемых решений.

В состав АСУ входят следующие виды обеспечений:

  • информационное,
  • программное,
  • техническое,
  • организационное,
  • метрологическое,
  • правовое,
  • лингвистическое.

Основные классификационные признаки

Основными классификационными признаками, определяющими вид АСУ, являются:

  • сфера функционирования объекта управления (промышленность, строительство, транспорт, сельское хозяйство, непромышленная сфера и так далее);
  • вид управляемого процесса (технологический, организационный, экономический и так далее);
  • уровень в системе государственного управления, включения управление народным хозяйством в соответствии с действующими схемами управления отраслями (для промышленности: отрасль (министерство), всесоюзное объединение, всесоюзное промышленное объединение, научно-производственное объединение, предприятие (организация), производство, цех, участок, технологический агрегат).

Функции АСУ в общем случае включают в себя следующие элементы (действия):

  • планирование и (или) прогнозирование;
  • учет, контроль, анализ;
  • координацию и (или) регулирование.
  • Автоматизированная система управления технологическим процессом или 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.
  • Автоматизированная система управления уличным освещением («АСУ УО»)– предназначена для организации автоматизации централизованного управления уличным освещением.
  • Автоматизированная система управления наружного освещения («АСУНО»)– предназначена для организации автоматизации централизованного управления наружным освещением.
  • Автоматизированная система управления дорожным движением или АСУ ДД– предназначена для управления транспортных средств и пешеходных потоков на дорожной сети города или автомагистрали
  • Автоматизированная система управления предприятием или АСУП– Для решения этих задач применяются MRP,MRP II и ERP-системы. В случае, если предприятием является учебное заведение, применяются системы управления обучением.
  • Автоматическая система управления для гостиниц.
  • Автоматизированная система управления операционным риском– это программное обеспечение, содержащее комплекс средств, необходимых для решения задач управления операционными рисками предприятий: от сбора данных до предоставления отчетности и построения прогнозов.

АСУ различного назначения, примеры их использования.

  • АСУ современного хлебопекарного предприятия

АСУ современного хлебопекарного предприятия должна комплексно отражать сферы деятельности хлебозавода: складской учет сырья, материальных средств, продукции основного, а также вспомогательного производств хлебозавода, учета качества сырья  (продукции), финансового учета (анализа), налогового (бухгалтерского) учета, планирования производства хлеба и хлебобулочных изделий, финансовых результатов деятельности предприятия хлебопекарной промышленности.

Современная АСУ хлебозавода является многоуровневой, а также иерархической (по функциям управления, информационным моделям, структурам баз данных, архитектуре программного обеспечения для оптимального функционирования хлебозавода).

Комплексная АСУ хлебопекарного предприятия обеспечивает максимальный уровень автоматизации работы пользователей, предоставляет удобные инструменты конфигурирования, а также управления, позволяющие адаптировать АСУ к условиям конкретного предприятия хлебопекарной промышленности.

Использование АСУ позволяет руководству предприятия принимать обоснованные, грамотные решения при производстве хлебобулочных изделий.

  • АСУ ТП зерноперерабатывающих предприятий

Количество контролируемых, а также управляющих параметров современных автоматизированных предприятий хранения и переработки зерна (элеваторах, зернохранилищах, мукомольных заводах, комбикормовых комбинатах) постоянно увеличивается, давно превысив черту, когда оператор может самостоятельно (без применения сложных автоматизированных комплексов для предприятий хранения и переработки зерна) управлять технологическим процессом. В связи с этим, вопрос внедрения комплексной автоматизации зернохранилищ, элеваторов, силосов и других объектов по переработке и хранению зерна является довольно актуальным.

Современные средства АСУ ТП зерноперерабатывающих предприятий позволяют значительно снизить потери при хранении и переработке зерна, сэкономить энергоресурсы зерноперерабатывающих предприятий, элеваторов, минимизировать влияние человеческого фактора, рисков возникновения аварийных ситуаций работы автоматизированных технологических комплексов по хранению и переработке зерна. Последние разработки в области АСУ ТП зерноперерабатывающей отрасли позволяют автоматически прогнозировать процесс самосогревания зерна, надежно, качественно в автоматическом режиме управлять потоками влажного и сухого зерна, процессом сушки, также системой формирования технологических маршрутов в пределах зерноперерабатывающего предприятия.

Видеоресурс «Пример внедрения WMS для автоматизации ответственного хранения на складе».

Система управления складом (англ. Warehouse Management System, аббр. WMS) — информационная система, обеспечивающая автоматизацию управления бизнес-процессами складской работы профильного предприятия.

https://youtube.com/watch?v=3YyQ3Ra_KHE%3Frel%3D0%26fs%3D1%26wmode%3Dtransparent

Видеоресурс «Автоматизированная система управления электротехническим оборудованием электростанций и подстанций (АСУ ЭТО)»

https://youtube.com/watch?v=JAMbALXeKXQ%3Frel%3D0%26fs%3D1%26wmode%3Dtransparent

Вопросы  для  самоконтроля:

  1. Что называется автоматизированной системой управления?
  2. Какую задачу решают автоматизированные системы управления?
  3. Какие цели преследуют АСУ?
  4. Какие функции осуществляют АСУ?
  5. Приведите примеры автоматизированных систем управления.

Публикую первую главу лекций по теории автоматического управления, после которых ваша жизнь уже никогда не будет прежней.

Лекции по курсу «Управление Техническими Системами», читает Козлов Олег Степанович на кафедре «Ядерные реакторы и энергетические установки», факультета «Энергомашиностроения» МГТУ им. Н.Э. Баумана. За что ему огромная благодарность.

Данные лекции только готовятся к публикации в виде книги, а поскольку здесь есть специалисты по ТАУ, студенты и просто интересующиеся предметом, то любая критика привествуется.

Основные понятия теории управления техническими системами

Цели, принципы управления, виды систем управления, основные определения, примеры

Развитие и совершенствование промышленного производства (энергетики, транспорта, машиностроения, космической техники и т.д.) требует непрерывного увеличения производительности машин и агрегатов, повышения качества продукции, снижения себестоимости и, особенно в атомной энергетике, резкого повышения безопасности (ядерной, радиационной и т.д.) эксплуатации АЭС и ядерных установок.

Реализация поставленных целей невозможна без внедрения современных систем управления, включая как автоматизированные (с участием человека-оператора), так и автоматические (без участия человека-оператора) системы управления (СУ).

Определение: Управление – это такая организация того или иного технологического процесса, которая обеспечивает достижение поставленной цели.

Теория управления является разделом современной науки и техники. Она базируется (основывается) как на фундаментальных (общенаучных) дисциплинах (например, математика, физика, химия и т.д.), так и на прикладных дисциплинах (электроника, микропроцессорная техника, программирование и т.д.).

Любой процесс управления (автоматического) состоит из следующих основных этапов (элементов):

  • получение информации о задаче управления;
  • получение информации о результате управления;
  • анализ получаемой информации;
  • выполнение решения (воздействие на объект управления).

Для реализации Процесса Управления система управления (СУ) должна иметь:

  • источники информации о задаче управления;
  • источники информации о результатах управления (различные датчики, измерительные устройства, детекторы и т.д.);
  • устройства для анализа получаемой информации и выработки решения;
  • исполнительные устройства, воздействующие на Объект Управления, содержащие: регулятор, двигатели, усилительно-преобразующие устройства и т.д.

Определение: Если система управления (СУ) содержит все перечисленные выше части, то она является замкнутой.

Определение: Управление техническим объектом с использованием информации о результатах управления называется принципом обратной связи.

Схематично такая система управления может быть представлена в виде:

Рис. 1.1.1 — Структура системы управления (СУ)

Если система управления (СУ) имеет структурную схему, вид которой соответствует рис. 1.1.1, и функционирует (работает) без участия человека (оператора), то она называется системой автоматического управления (САУ).

Если СУ функционирует с участием человека (оператора), то она называется автоматизированной СУ.

Если Управление обеспечивает заданный закон изменения объекта во времени независимо от результатов управления, то такое управление совершается по разомкнутому циклу, а само управление называется программным управлением.

К системам, работающим по разомкнутому циклу, относятся промышленные автоматы (конвейерные линии, роторные линии и т.д.), станки с числовым программным управлением (ЧПУ): см. пример на рис. 1.1.2.

Рис.1.1.2 — Пример программного управления

Задающее устройство может быть, например, и “копиром”.

Поскольку в данном примере нет датчиков (измерителей), контролирующих изготавливаемую деталь, то если, например, резец был установлен неправильно или сломался, то поставленная цель (изготовление детали) не может быть достигнута (реализована). Обычно в системах подобного типа необходим выходной контроль, который будет только фиксировать отклонение размеров и формы детали от желаемой.

Автоматические системы управления подразделяются на 3 типа:

  • системы автоматического управления (САУ);
  • системы автоматического регулирования (САР);
  • следящие системы (СС).

САР и СС являются подмножествами САУ ==> ${САР} \subset{САУ}; {СС} \subset {САУ}$.

Определение: Автоматическая система управления, обеспечивающая постоянство какой-либо физической величины (группы величин) в объекте управления называется системой автоматического регулирования (САР).

Системы автоматического регулирования (САР) — наиболее распространенный тип систем автоматического управления.

Первый в мире автоматический регулятор (18-е столетие) – регулятор Уатта. Данная схема (см. рис. 1.1.3) реализована Уаттом в Англии для поддержания постоянной скорости вращения колеса паровой машины и, соответственно, для поддержания постоянства скорости вращения (движения) шкива (ремня) трансмиссии.

В данной схеме чувствительными элементами (измерительными датчиками) являются “грузы” (сферы). «Грузы» (сферы) также “заставляют” перемещаться коромысло и затем задвижку. Поэтому данную систему можно отнести к системе прямого регулирования, а регулятор — к регулятору прямого действия, так как он одновременно выполняет функции и “измерителя” и “регулятора”.

READ  Установка камеры заднего вида

В регуляторах прямого действия дополнительного источника энергии для перемещения регулирующего органа не требуется.

Рис. 1.1.3 — Схема автоматического регулятора Уатта

В системах непрямого регулирования необходимо присутствие (наличие) усилителя (например, мощности), дополнительного исполнительного механизма, содержащего, например, электродвигатель, серводвигатель, гидропривод и т.д.

Примером САУ (системы автоматического управления), в полном смысле этого определения, может служить система управления, обеспечивающая вывод ракеты на орбиту, где управляемой величиной может быть, например, угол между осью ракеты и нормалью к Земле ==> см. рис. 1.1.4.а и рис. 1.1.4.б

Структура систем управления

В теории управления техническими системами часто бывает удобно систему разделить на набор звеньев, соединенных в сетевые структуры. В простейшем случае система содержит одно звено, на вход которого подается входной воздействие (вход), на входе получается отклик системы (выход).

В теории Управления Техническими Системам используют 2 основных способа представления звеньев систем управления:

— в переменных “вход-выход”;

Представление в переменных “вход-выход” обычно используется для описания относительно простых систем, имеющих один “вход” (одно управляющее воздействие) и один “выход” (одна регулируемая величина, см. рисунок 1.2.1).

Рис. 1.2.1 – Схематическое представление простой системы управления

Обычно такое описание используется для технически несложных САУ (систем автоматического управления).

Рис. 1.2.2 — Схематическое представление многомерной системы управленияя

Рассмотрим более детально структуру САУ, представленную в переменных “вход-выход” и имеющую один вход (входное или задающее, или управляющее воздействие) и один выход (выходное воздействие или управляемая (или регулируемая) переменная).

Предположим, что структурная схема такой САУ состоит из некоторого числа элементов (звеньев). Группируя звенья по функциональному принципу (что звенья делают), структурную схему САУ можно привести к следующему типовому виду:

Рис. 1.2.3 — Структурная схема системы автоматического управления

Символом ε(t) или переменной ε(t) обозначается рассогласование (ошибка) на выходе сравнивающего устройства, которое может “работать” в режиме как простых сравнительных арифметических операций (чаще всего вычитание, реже сложение), так и более сложных сравнительных операций (процедур).

Так как y1(t) = y(t)*k1, где k1 — коэффициент усиления, то ==>
ε(t) = x(t) — y1(t) = x(t) — k1*y(t)

Следует отметить, что на систему управления действуют как внешние воздействия (управляющее, возмущающее, помехи), так и внутренние помехи. Помеха отличается от воздействия стохастичностью (случайностью) своего существования, тогда как воздействие почти всегда детерминировано.

Для обозначения управляющего (задающего воздействие) будем использовать либо x(t), либо u(t).

Основные законы управления

Если вернуться к последнему рисунку (структурная схема САУ на рис. 1.2.3), то необходимо “расшифровать” роль, которую играет усилительно-преобразующее устройство (какие функции оно выполняет).

Если усилительно-преобразующее устройство (УПУ) выполняет только усиление (или ослабление) сигнала рассогласования ε(t), а именно: $\varepsilon_1(t)=\alpha \cdot \varepsilon(t)$, где $ \alpha $– коэффициент пропорциональности (в частном случае $ \alpha $ = Const), то такой режим управления замкнутой САУ называется режимом пропорционального управления (П-управление).

Если УПУ выполняет формирование выходного сигнала ε1(t), пропорционального ошибке ε(t) и интегралу от ε(t), т.е. $\int_{0}^{t} \varepsilon(t) dt $, то такой режим управления называется пропорционально-интегрирующим (ПИ-управление). ==> $\varepsilon_1(t)=\alpha \cdot \varepsilon(t) + b \cdot \int_{0}^{t} \varepsilon(t) dt$, где b – коэффициент пропорциональности (в частном случае b = Const).

Обычно ПИ-управление используется для повышения точности управления (регулирования).

Если УПУ формирует выходной сигнал ε1(t), пропорциональный ошибке ε(t) и ее производной, то такой режим называется пропорционально-дифференцирующим (ПД-управление): ==> $\varepsilon_1(t)=\alpha \cdot \varepsilon(t) + c \cdot \frac{d \varepsilon(t) }{dt} $

Обычно использование ПД-управления повышает быстродействие САУ

Если УПУ формирует выходной сигнал ε1(t), пропорциональный ошибке ε(t), ее производной, и интегралу от ошибки ==> $\varepsilon_1(t)=\alpha \cdot \varepsilon(t) + b \cdot \int_{0}^{t} \varepsilon(t) + c \cdot \frac{d \varepsilon(t) }{dt} $, то такой режим называетсято такой режим управления называется пропорционально-интегрально-дифференцирующим режимом управления (ПИД-управление).

ПИД-управление позволяет зачастую обеспечить “хорошую” точность управления при “хорошем” быстродействии

Классификация систем автоматического управления

1.4.1. Классификация по виду математического описания

По виду математического описания (уравнений динамики и статики) системы автоматического управления (САУ) подразделяются на линейные и нелинейные системы (САУ или САР).

Каждый “подкласс” (линейных и нелинейных) подразделяется на еще ряд “подклассов”. Например, линейные САУ (САР) имеют различия по виду математического описания.
Поскольку в этом семестре будут рассматриваться динамические свойства только линейных систем автоматического управления (регулирования), то ниже приведем классификацию по виду математического описания для линейных САУ (САР):

1) Линейные системы автоматического управления, описываемые в переменных «вход-выход» обыкновенными дифференциальными уравнениями (ОДУ) с постоянными коэффициентами:

$a_n \cdot y^{(n)} (t)+ a_{n-1} \cdot y^{(n-1)}(t)+ ...+a_1 \cdot y'(t) + a_0 \cdot y(t) =$

$=b_m \cdot x^{(m)}(t) +b_{m-1} \cdot x^{(m-1)}(t)+ ...+b_1\cdot x'(t) + b_0 \cdot x(t); (1.4.1)$

где x(t) – входное воздействие; y(t) – выходное воздействие (регулируемая величина).

Если использовать операторную («компактную») форму записи линейного ОДУ, то уравнение (1.4.1) можно представить в следующем виде:

$L(p)\cdot y(t)=N(p)\cdot x(t), (1.4.2)$

где, p = d/dt — оператор дифференцирования; L(p), N(p) — соответствующие линейные дифференциальные операторы, которые равны:

$L(p) = a_n \cdot p^n + a_{n-1} \cdot p^{n-1}+...+a_1 \cdot p+ a_0; a_i (1.4.2.a)$

$N(p) = b_n \cdot p^n + b_{n-1} \cdot p^{n-1}+...+b_1 \cdot p+ b_0; b_i (1.4.2.б)$

2) Линейные системы автоматического управления, описываемые линейными обыкновенными дифференциальными уравнениями (ОДУ) с переменными (во времени) коэффициентами:

$a_n(t) \cdot y^{(n)} (t)+ a_{n-1}(t) \cdot y^{(n-1)}(t)+ ...+a_1(t) \cdot y'(t) + a_0(t) \cdot y(t) =$

$=b_m(t) \cdot x^{(m)}(t) +b_{m-1}(t) \cdot x^{(m-1)}(t)+ ...+b_1(t)\cdot x'(t) + b_0(t) \cdot x(t); (1.4.3)$

В общем случае такие системы можно отнести и к классу нелинейных САУ (САР).

3) Линейные системы автоматического управления, описываемые линейными разностными уравнениями:

$y((k+1)\cdot \Delta t) = f(y(k \cdot \Delta t)), y((k-1)\cdot \Delta t)...$

$...x((k+1) \cdot \Delta t), x(k \cdot \Delta t), x((k-1) \cdot \Delta t)...), (1.4.4)$

Уравнение (1.4.4) можно представить в «компактной» форме записи:

$y^{[k+1]} = f(y^{[k]},y^{[k-1]},y^{[k-2]},...x^{[k+1]},x^{[k]},x^{[k-1]},x^{[k-2]}...). (1.4.5)$

Обычно такое описание линейных САУ (САР) используется в цифровых системах управления (с использованием ЭВМ).

4) Линейные системы автоматического управления с запаздыванием:

$L(p)\cdot y(t)=N(p)\cdot x(t-\tau), (1.4.6)$

где L(p), N(p) — линейные дифференциальные операторы; τ — время запаздывания или постоянная запаздывания.

Если операторы L(p) и N(p) вырождаются (L(p) = 1; N(p) = 1), то уравнение (1.4.6) соответствует математическому описанию динамики звена идеального запаздывания:

$y(t) = x(t-\tau );$

а графическая иллюстрация его свойств привдена на рис. 1.4.1

Рис. 1.4.1 — Графики входа и выхода звена идеального запаздывания

5) Линейные системы автоматического управления, описываемые линейными дифференциальными уравнения в частных производных. Нередко такие САУ называют распределенными системами управления. ==> «Абстрактный» пример такого описания:

$\frac{\partial y(x,t)}{\partial t} + a \cdot \frac{\partial y(x,t)}{\partial x} + b \cdot \frac{\partial^2y(x,t)}{\partial x^2} = Q(x,t) - P(x,t); (1.4.7)$

Система уравнений (1.4.7) описывает динамику линейно распределенной САУ, т.е. регулируемая величина зависит не только от времени, но и от одной пространственной координаты.
Если система управления представляет собой «пространственный» объект, то ==>

$\frac{\partial y(t,\vec{r})}{\partial y}+ a \cdot \frac {\partial y(t,\vec{r})}{\partial \vec{r}} +b \cdot \frac {\partial^2 y(t,\vec{r})}{\partial \vec{r}^2} = Q(t,\vec{r}) -P(t,\vec{r}), (1.4.8)$

где $y(t,\vec{r})$ зависит от времени и пространственных координат, определяемых радиусом-вектором $\vec{r}$

Для линейных систем выполеняются следующие требования:

  • линейность статической характеристики САУ;
  • линейность уравнения динамики, т.е. переменные в уравнение динамики входят только в линейной комбинации.

Статической характеристикой называется зависимость выхода от величины входного воздействия в установившемся режиме (когда все переходные процессы затухли).

Для систем, описываемых линейными обыкновенными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами статическая характеристика получается из уравнения динамики (1.4.1) приравниванием нулю всех нестационарных членов ==>

$\begin {eqnarray} L(p)y(t) \to a_0 \cdot y(0) \\ N(p) x(t) \to b_0 \cdot x(0) \end {eqnarray} \} \Rightarrow a_0 \cdot y(0) = b_0 \cdot x(0) \Rightarrow y = k \cdot х, (k = \frac{b_0}{a_0});$

На рис.1.4.2 представлены примеры линейной и нелинейных статических характеристик систем автоматического управления (регулирования).

Рис. 1.4.2 — Примеры статических линейных и нелинейных характеристик

Нелинейность членов, содержащих производные по времени в уравнениях динамики, может возникнуть при использовании нелинейных математических операций (*, /, $\uparrow ^n$, $\sqrt[n]{}$, sin, ln и т.д.). Например, рассматривая уравнение динамики некоторой «абстрактной» САУ

$a \cdot y''(t)+b \cdot y'(t) \cdot y(t) +c \cdot[y'(t)]^2 + d \cdot y(t) = k \cdot x(t),$

отметим, что в этом уравнении при линейной статической характеристики $(y = \frac{k}{d} \cdot x)$ второе и третье слагаемые (динамические члены) в левой части уравнения — нелинейные, поэтому САУ, описываемая подобным уравнением, является нелинейной в динамическом плане.

1.4.2. Классификация по характеру передаваемых сигналов

По характеру передаваемых сигналов системы автоматического управления (или регулирования) подразделяются:

  • непрерывные системы (системы непрерывного действия);
  • релейные системы (системы релейного действия);
  • системы дискретного действия (импульсные и цифровые).

Системой непрерывного действия называется такая САУ, в каждом из звеньев которой непрерывному изменению входного сигнала во времени соответствует непрерывное изменение выходного сигнала, при этом закон изменения выходного сигнала может быть произвольным. Чтобы САУ была непрерывной, необходимо, чтобы статические характеристики всех звеньев были непрерывными.

Рис. 1.4.3 — Пример непрерывной системы

Системой релейного действия называется САУ, в которой хотя бы в одном звене при непрерывном изменении входной величины выходная величина в некоторые моменты процесса управления меняется “скачком” в зависимости от величины входного сигнала. Статическая характеристика такого звена имеет точки разрыва или излома с разрывом.

Рис. 1.4.4 — Примеры релейных статических характеристик

Системой дискретного действия называется система, в которой хотя бы в одном звене при непрерывном изменении входной величины выходная величина имеет вид отдельных импульсов, появляющиеся через некоторый промежуток времени.

Звено, преобразующее непрерывный сигнал в дискретный сигнал, называется импульсным. Подобный вид передаваемых сигналов имеет место в САУ с ЭВМ или контроллером.

Наиболее часто реализуются следующие методы (алгоритмы) преобразования непрерывного входного сигнала в импульсный выходной сигнал:

  • амплитудно-импульсная модуляция (АИМ);
  • широтно-импульсная модуляция (ШИМ).

На рис. 1.4.5 представлена графическая иллюстрация алгоритма амплитудно-импульсной модуляции (АИМ). В верхней части рис. представлена временная зависимость x(t) — сигнала на входе в импульсное звено. Выходной сигнал импульсного блока (звена) y(t) – последовательность прямоугольных импульсов, появляющихся с постоянным периодом квантования Δt (см. нижнюю часть рис.). Длительность импульсов – одинакова и равна Δ. Амплитуда импульса на выходе блока пропорциональна соответствующей величине непрерывного сигнала x(t) на входе данного блока.

Рис. 1.4.5 — Реализация амплитудно-импульсной модуляции

На рис. 1.4.6 представлена графическая иллюстрация алгоритма широтно-импульсной модуляции (ШИМ). В верхней части рис. 1.14 представлена временная зависимость x(t) – сигнала на входе в импульсное звено. Выходной сигнал импульсного блока (звена) y(t) – последовательность прямоугольных импульсов, появляющихся с постоянным периодом квантования Δt (см. нижнюю часть рис. 1.14). Амплитуда всех импульсов – одинакова. Длительность импульса Δt на выходе блока пропорциональна соответствующей величине непрерывного сигнала x(t) на входе импульсного блока.

READ  Установка камеры заднего вида веста св и подключение камеры заднего вида лада веста

Рис. 1.4.6 — Реализация широтно-импульсной модуляции

Данный метод импульсной модуляции в настоящее время является наиболее распространенным в электронно-измерительной аппаратуре систем управления и защиты (СУЗ) ядерных энергетических установок (ЯЭУ) и САУ других технических систем.

Завершая данный подраздел, необходимо заметить, что если характерные постоянные времени в других звеньях САУ (САР) существенно больше Δt (на порядки), то импульсная система может считаться непрерывной системой автоматического управления (при использовании как АИМ, так и ШИМ).

1.4.3. Классификация по характеру управления

По характеру процессов управления системы автоматического управления подразделяются на следующие типы:

  • детерминированные САУ, в которых входному сигналу однозначно может быть поставлен в соответствие выходной сигнал (и наоборот);
  • стохастические САУ (статистические, вероятностные), в которых на данный входной сигнал САУ “отвечает” случайным (стохастическим) выходным сигналом.

Выходной стохастический сигнал характеризуется:

  • законом распределения;
  • математическим ожиданием (средним значением);
  • дисперсией (среднеквадратичным отклонением).

Стохастичность характера процесса управления обычно наблюдается в

существенно нелинейных САР

как с точки зрения статической характеристики, так и с точки зрения (даже в большей степени) нелинейности динамических членов в уравнениях динамики.

Рис. 1.4.7 — Распределение выходной величины стохастической САУ

Кроме приведенных основных видов классификации систем управления, существуют и другие классификации. Например, классификация может проводиться по методу управления и основываться на взаимодействии с внешней средой и возможности адаптации САУ к изменению параметров окружающей среды. Системы делятся на два больших класса:

1) Обыкновенные (несамонастраивающиеся) СУ без адаптации; эти системы относятся к разряду простых, не изменяющих свою структуру в процессе управления. Они наиболее разработаны и широко применяются. Обыкновенные СУ подразделяются на три подкласса: разомкнутые, замкнутые и комбинированные системы управления.

2) Самонастраивающиеся (адаптивные) СУ. В этих системах при изменении внешних условий или характеристик объекта регулирования происходит автоматическое (заранее не заданное) изменение параметров управляющего устройства за счет изменения коэффициентов СУ, структуры СУ или даже введения новых элементов.

Другой пример классификации: по иерархическому признаку (одноуровневые, двухуровневые, многоуровневые).

2. Математическое описание систем автоматического управления 2.1 — 2.3, 2.4 — 2.8, 2.9 — 2.13.
3. ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВЕНЬЕВ И СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ (РЕГУЛИРОВАНИЯ).
3.1. Амплитудно-фазовая частотная характеристика: годограф, АФЧХ, ЛАХ, ФЧХ.
3.2. Типовые звенья систем автоматического управления (регулирования). Классификация типовых звеньев. Простейшие типовые звенья.
3.3. Апериодическое звено 1–го порядка (инерционное звено). На примере входной камеры ядерного реактора.
3.4. Апериодическое звено 2-го порядка.
3.5. Колебательное звено.
3.6. Инерционно-дифференцирующее звено.
3.7. Форсирующее звено.
3.8. Инерционно-интегрирующее (звено интегрирующее звено с замедлением).
3.9 Изодромное звено (изодром).
3.10 Минимально-фазовые и не минимально-фазовые звенья.
3.11 Математическая модель кинетики нейтронов в «точечном» реакторе «нулевой» мощности.
4. Структурные преобразования систем автоматического регулирования.
5. Передаточные функции и уравнения динамики замкнутых систем автоматического регулирования (САР).
6. Устойчивость систем автоматического регулирования. 6.1 Понятие об устойчивости САР. Теорема Ляпунова. 6.2 Необходимые условия устойчивости линейных и линеаризованных САР. 6.3 Алгебраический критерий устойчивости Гурвица.
6.4 Частотный критерий устойчивости Михайлова.
6.5 Частотный критерий устойчивости Найквиста.

Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите, пожалуйста.

Продолжить публикацию лекций по УТС?

Проголосовали 287 пользователей.

Воздержался 21 пользователь.

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 тому подобное.

Создателем первых АСУ в СССР является доктор экономических наук, профессор, член-корреспондент Национальной академии наук Белоруссии, основоположник научной школы стратегического планирования Николай Иванович Ведута (1913-1998). В 1962-1967гг. в должности директора Центрального научно-исследовательского института технического управления (ЦНИИТУ), являясь также членом коллегии Министерства приборостроения СССР, он руководил внедрением первых в стране автоматизированных систем управления производством на машиностроительных предприятиях. Активно боролся против идеологических PR-акций по внедрению дорогостоящих ЭВМ, вместо создания настоящих АСУ для повышения эффективности управления производством.

Важнейшая задача АСУ– повышение эффективности управления объектом на основе роста производительности труда и совершенствования методов планирования процесса управления.

Цели автоматизации управления

Обобщенной целью автоматизации управления является повышение эффективности использования потенциальных возможностей объекта управления. Таким образом, можно выделить ряд целей:

  • Предоставление лицу, принимающему решение (ЛПР) адекватных данных для принятия решений.
  • Ускорение выполнения отдельных операций по сбору и обработке данных.
  • Снижение количества решений, которые должно принимать ЛПР.
  • Повышение уровня контроля и исполнительской дисциплины.
  • Повышение оперативности управления.
  • Снижение затрат ЛПР на выполнение вспомогательных процессов.
  • Повышение степени обоснованности принимаемых решений.

В состав АСУ входят следующие виды обеспечений:

  • информационное,
  • программное,
  • техническое,
  • организационное,
  • метрологическое,
  • правовое,
  • лингвистическое.

Основные классификационные признаки

Основными классификационными признаками, определяющими вид АСУ, являются:

  • сфера функционирования объекта управления (промышленность, строительство, транспорт, сельское хозяйство, непромышленная сфера и так далее);
  • вид управляемого процесса (технологический, организационный, экономический и так далее);
  • уровень в системе государственного управления, включения управление народным хозяйством в соответствии с действующими схемами управления отраслями (для промышленности: отрасль (министерство), всесоюзное объединение, всесоюзное промышленное объединение, научно-производственное объединение, предприятие (организация), производство, цех, участок, технологический агрегат).

Функции АСУ в общем случае включают в себя следующие элементы (действия):

  • планирование и (или) прогнозирование;
  • учет, контроль, анализ;
  • координацию и (или) регулирование.
  • Автоматизированная система управления технологическим процессом или 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.
  • Автоматизированная система управления уличным освещением («АСУ УО»)– предназначена для организации автоматизации централизованного управления уличным освещением.
  • Автоматизированная система управления наружного освещения («АСУНО»)– предназначена для организации автоматизации централизованного управления наружным освещением.
  • Автоматизированная система управления дорожным движением или АСУ ДД– предназначена для управления транспортных средств и пешеходных потоков на дорожной сети города или автомагистрали
  • Автоматизированная система управления предприятием или АСУП– Для решения этих задач применяются MRP,MRP II и ERP-системы. В случае, если предприятием является учебное заведение, применяются системы управления обучением.
  • Автоматическая система управления для гостиниц.
  • Автоматизированная система управления операционным риском– это программное обеспечение, содержащее комплекс средств, необходимых для решения задач управления операционными рисками предприятий: от сбора данных до предоставления отчетности и построения прогнозов.

АСУ различного назначения, примеры их использования.

  • АСУ современного хлебопекарного предприятия

АСУ современного хлебопекарного предприятия должна комплексно отражать сферы деятельности хлебозавода: складской учет сырья, материальных средств, продукции основного, а также вспомогательного производств хлебозавода, учета качества сырья  (продукции), финансового учета (анализа), налогового (бухгалтерского) учета, планирования производства хлеба и хлебобулочных изделий, финансовых результатов деятельности предприятия хлебопекарной промышленности.

Современная АСУ хлебозавода является многоуровневой, а также иерархической (по функциям управления, информационным моделям, структурам баз данных, архитектуре программного обеспечения для оптимального функционирования хлебозавода).

Комплексная АСУ хлебопекарного предприятия обеспечивает максимальный уровень автоматизации работы пользователей, предоставляет удобные инструменты конфигурирования, а также управления, позволяющие адаптировать АСУ к условиям конкретного предприятия хлебопекарной промышленности.

Использование АСУ позволяет руководству предприятия принимать обоснованные, грамотные решения при производстве хлебобулочных изделий.

  • АСУ ТП зерноперерабатывающих предприятий

Количество контролируемых, а также управляющих параметров современных автоматизированных предприятий хранения и переработки зерна (элеваторах, зернохранилищах, мукомольных заводах, комбикормовых комбинатах) постоянно увеличивается, давно превысив черту, когда оператор может самостоятельно (без применения сложных автоматизированных комплексов для предприятий хранения и переработки зерна) управлять технологическим процессом. В связи с этим, вопрос внедрения комплексной автоматизации зернохранилищ, элеваторов, силосов и других объектов по переработке и хранению зерна является довольно актуальным.

Современные средства АСУ ТП зерноперерабатывающих предприятий позволяют значительно снизить потери при хранении и переработке зерна, сэкономить энергоресурсы зерноперерабатывающих предприятий, элеваторов, минимизировать влияние человеческого фактора, рисков возникновения аварийных ситуаций работы автоматизированных технологических комплексов по хранению и переработке зерна. Последние разработки в области АСУ ТП зерноперерабатывающей отрасли позволяют автоматически прогнозировать процесс самосогревания зерна, надежно, качественно в автоматическом режиме управлять потоками влажного и сухого зерна, процессом сушки, также системой формирования технологических маршрутов в пределах зерноперерабатывающего предприятия.

Видеоресурс «Пример внедрения WMS для автоматизации ответственного хранения на складе».

Система управления складом (англ. Warehouse Management System, аббр. WMS) — информационная система, обеспечивающая автоматизацию управления бизнес-процессами складской работы профильного предприятия.

https://youtube.com/watch?v=3YyQ3Ra_KHE%3Frel%3D0%26fs%3D1%26wmode%3Dtransparent

Видеоресурс «Автоматизированная система управления электротехническим оборудованием электростанций и подстанций (АСУ ЭТО)»

https://youtube.com/watch?v=JAMbALXeKXQ%3Frel%3D0%26fs%3D1%26wmode%3Dtransparent

Вопросы  для  самоконтроля:

  1. Что называется автоматизированной системой управления?
  2. Какую задачу решают автоматизированные системы управления?
  3. Какие цели преследуют АСУ?
  4. Какие функции осуществляют АСУ?
  5. Приведите примеры автоматизированных систем управления.
Оцените статью
Авто-пилот
© 2023 Авто-пилот