Automatikos objektai ir jų charakteristikos

Automatikos objektai (valdymo objektai) — tai atskiri įrenginiai, metalo pjovimo staklės, mašinos, agregatai, įtaisai, mašinų kompleksai ir įrenginiai, kuriuos būtina valdyti. Jie yra labai įvairūs pagal paskirtį, struktūrą ir veikimo principą.

Automatizavimo objektas yra pagrindinis automatinės sistemos komponentas, nulemiantis sistemos pobūdį, todėl jo tyrimui skiriamas ypatingas dėmesys. Objekto sudėtingumą daugiausia lemia jo žinių laipsnis ir atliekamų funkcijų įvairovė. Objekto tyrimo rezultatai turi būti pateikiami aiškių rekomendacijų forma dėl visiško ar dalinio objekto automatizavimo galimybės arba būtinų automatizavimui sąlygų nebuvimo.

Automatikos objektų charakteristikos

Prieš projektuojant automatinę valdymo sistemą, turi būti atliktas vietos tyrimas, siekiant nustatyti ryšius su vieta. Apskritai šiuos ryšius galima pavaizduoti kaip keturis kintamųjų rinkinius.

Kontroliuojamas sutrikimas, kurio rinkinys sudaro L matmenų vektorių H = h1, h2, h3, ..., hL... Į juos įeina išmatuojami kintamieji, kurie priklauso nuo išorinės aplinkos, pavyzdžiui, žaliavų kokybės rodikliai liejykloje, kiekis. garo katile suvartoto garo, vandens srauto momentiniame vandens šildytuve, oro temperatūra šiltnamyje, kuri kinta priklausomai nuo išorinių aplinkos sąlygų ir procesą įtakojančių veiksnių. Valdomiems trikdžiams taikomi technologinių sąlygų apribojimai.

Kontroliuojamo technologinio proceso rodiklis vadinamas valdomuoju dydžiu (koordinate), o fizikinis dydis, kuriuo valdomas technologinio proceso rodiklis, – valdymo veiksmu (įvesties kiekiu, koordinate).

Kontroliniai veiksmai, kurių visuma sudaro n matmenų vektorių X = x1, x2, x3, ..., xn... Jie nepriklauso nuo išorinės aplinkos ir turi didžiausią įtaką technologiniam procesui. Jų pagalba kryptingai keičiama proceso eiga.

Veiksmams kontroliuoti apima elektros variklių, elektrinių šildytuvų, pavarų įjungimą ir išjungimą, valdymo vožtuvų padėtį, reguliatorių padėtį ir kt.

Išvesties kintamieji, kurios aibė sudaro M matmenų būsenos vektorių Y = y1, y2, y3, ..., yМ... Šie kintamieji yra objekto išvestis, kuri apibūdina jo būseną ir lemia gatavo produkto kokybės rodiklius. .

Nekontroliuojamas trikdantis poveikis, kurių rinkinys sudaro G-dimensijos vektorių F = ε1, ε2, ε3, …, εG... Jie apima tokius trikdžius, kurių negalima išmatuoti dėl vienokių ar kitokių priežasčių, pavyzdžiui, dėl jutiklių trūkumo.

Ryžiai. 1.Automatikos objekto įėjimai ir išėjimai

Išnagrinėjus svarstomus automatizuojamo objekto ryšius, galima padaryti dvi diametraliai priešingas išvadas: tarp objekto išvesties ir įvesties kintamųjų yra griežta matematinė priklausomybė arba tarp šių kintamųjų nėra jokios priklausomybės, kurią būtų galima išreikšti patikimu matematiniu rodikliu. formulę.

Technologinių procesų automatinio valdymo teorijoje ir praktikoje sukaupta pakankamai patirties aprašant objekto būseną tokiose situacijose. Šiuo atveju objektas laikomas viena iš automatinės valdymo sistemos grandžių. Tais atvejais, kai yra žinomas matematinis ryšys tarp išvesties kintamojo y ir objekto valdymo įvesties veiksmo x, išskiriamos dvi pagrindinės matematinių aprašymų įrašymo formos — tai statinės ir dinaminės objekto charakteristikos.

Statinė charakteristika matematine arba grafine forma išreiškia išvesties parametrų priklausomybę nuo įvesties. Dvejetainiai ryšiai paprastai turi aiškų matematinį aprašymą, pavyzdžiui, liejimo medžiagų svėrimo balionėlių statinė charakteristika yra tokia: h = km (čia h yra tampriųjų elementų deformacijos laipsnis; t - medžiagos masė; k yra proporcingumo koeficientas, kuris priklauso nuo tampriojo elemento medžiagos savybių).

Jei yra keli kintamieji parametrai, nomogramos gali būti naudojamos kaip statinės charakteristikos.

Objekto statinė charakteristika lemia vėlesnį automatizavimo taikinių formavimąsi. Praktinio įgyvendinimo liejykloje požiūriu šie tikslai gali būti sumažinti iki trijų tipų:

• objekto pradinių parametrų stabilizavimas;

• išvesties parametrų keitimas pagal duotą programą;

• kai kurių išvesties parametrų kokybės pokytis pasikeitus proceso sąlygoms.

Tačiau nemažai technologinių objektų negali būti apibūdinti matematiškai dėl daugybės tarpusavyje susijusių veiksnių, turinčių įtakos proceso eigai, nekontroliuojamų veiksnių buvimo ir žinių apie procesą stokos. Tokie objektai yra sudėtingi automatizavimo požiūriu. Sudėtingumo laipsnis nustatomas pagal objekto įėjimų ir išėjimų skaičių. Tokie objektyvūs sunkumai iškyla tiriant procesus, sumažintus dėl masės ir šilumos perdavimo. Todėl juos automatizuojant būtinos prielaidos ar sąlygos, kurios turėtų prisidėti prie pagrindinio automatizavimo tikslo – didinti valdymo efektyvumą maksimaliai priartinant technologinius režimus prie optimalių.

Sudėtingiems objektams tirti naudojama technika, kurią sudaro sąlyginis objekto vaizdavimas „juodosios dėžės“ pavidalu. Tuo pačiu metu tiriami tik išoriniai ryšiai, neatsižvelgiama į sistemos rytinę struktūrą, tai yra, tiriama, ką objektas veikia, o ne kaip jis veikia.

Objekto elgesį lemia išvesties reikšmių reakcija į įvesties verčių pokyčius. Pagrindinė tokio objekto tyrimo priemonė yra statistiniai ir matematiniai metodai. Metodologiškai objekto tyrimas atliekamas tokiu būdu: nustatomi pagrindiniai parametrai, nustatoma diskreti pagrindinių parametrų pokyčių serija, dirbtinai keičiami objekto įvesties parametrai nustatytos diskrečios serijos ribose, visi pakeitimai. išėjimuose registruojami ir rezultatai apdorojami statistiškai.

Dinaminės charakteristikos automatizavimo objektą lemia daugybė jo savybių, iš kurių vienos prisideda prie kokybiško valdymo proceso, kitos trukdo.

Iš visų automatikos objektų savybių, neatsižvelgiant į jų įvairovę, galima išskirti pagrindines, būdingiausias: talpa, gebėjimas savaime išsilyginti ir atsilikti.

Talpa yra objekto gebėjimas kaupti darbo aplinką ir saugoti ją objekte. Medžiagos ar energijos kaupimasis įmanomas dėl to, kad kiekviename objekte yra išėjimo varža.

Objekto talpos matas yra talpos koeficientas C, apibūdinantis medžiagos ar energijos kiekį, kuris turi būti tiekiamas į objektą, kad kontroliuojama vertė pakeistų vienu vienetu priimtame matavimo dydyje:

čia dQ yra medžiagos arba energijos įtekėjimo ir suvartojimo skirtumas; ru — valdomas parametras; t laikas.

Talpos koeficiento dydis gali skirtis priklausomai nuo valdomų parametrų dydžių.

Kuo mažesnis valdomo parametro kitimo greitis, tuo didesnis objekto talpos koeficientas. Iš to seka, kad lengviau valdyti tuos objektus, kurių talpos koeficientai didesni.

Savaime išsilyginantis Tai objekto gebėjimas po trikdymo pereiti į naują pastovią būseną be valdymo įtaiso (reguliatoriaus) įsikišimo.Objektai, kurie turi savireguliaciją, vadinami statiniais, o neturintys šios savybės – neutraliais arba astatiniais. . Savireguliavimas prisideda prie objekto valdymo parametro stabilizavimo ir palengvina valdymo įtaiso veikimą.

Savaime išsilyginantys objektai pasižymi savaiminio išsilyginimo koeficientu (laipsniu), kuris atrodo taip:

Priklausomai nuo savaiminio išsilyginimo koeficiento, statinės objekto charakteristikos įgauna skirtingą formą (2 pav.).

Valdomo parametro priklausomybė nuo apkrovos (santykinis trikdymas) esant skirtingiems savaiminio išsilyginimo koeficientams: 1-idealus savaiminis išsilyginimas; 2 — normalus savaiminis išsilyginimas; 3 — savaiminio išsilyginimo trūkumas

Priklausomybė 1 apibūdina objektą, kurio valdoma reikšmė nekinta esant jokiems trikdžiams, tokiam objektui nereikia valdymo įrenginių. 2 priklausomybė atspindi įprastą objekto savireguliaciją, 3 priklausomybė apibūdina objektą, kuris neturi savaiminio išsilygiavimo. Koeficientas p yra kintamas, jis didėja didėjant apkrovai ir daugeliu atvejų turi teigiamą reikšmę.

Vėlavimas — tai laikas, praėjęs nuo disbalanso momento iki objekto valdomos vertės pasikeitimo pradžios. Taip yra dėl pasipriešinimo ir sistemos impulso.

Yra dviejų tipų vėlavimas: grynasis (arba transportinis) ir trumpalaikis (arba talpinis), kurie prisideda prie viso objekto vėlavimo.

Grynas delsimas gavo savo pavadinimą, nes objektuose, kur jis egzistuoja, objekto išvesties reakcijos laikas keičiasi, palyginti su įvesties veiksmo atlikimo laiku, nekeičiant veiksmo dydžio ir formos. Įrenginys, veikiantis maksimalia apkrova arba kuriame signalas sklinda dideliu greičiu, turi mažiausią grynąjį delsą.

Laikinasis delsimas atsiranda, kai medžiagos ar energijos srautas įveikia pasipriešinimus tarp objekto talpos.Jį lemia kondensatorių skaičius ir perdavimo varžų dydis.

Grynas ir trumpalaikis vėlavimas pablogina valdymo kokybę; todėl reikia stengtis sumažinti jų vertybes. Pagalbinės priemonės apima matavimo ir valdymo prietaisų išdėstymą arti objekto, mažos inercijos jautrių elementų naudojimą, paties objekto struktūrinį racionalizavimą ir kt.

Automatizavimui skirtų objektų svarbiausių charakteristikų ir savybių analizės rezultatai bei jų tyrimo metodai leidžia suformuluoti nemažai reikalavimų ir sąlygų, kurių įvykdymas garantuoja sėkmingo automatizavimo galimybę. Pagrindiniai iš jų yra šie:

• matematinis objektų santykių aprašymas, pateikiamas statinių charakteristikų forma; sudėtingiems objektams, kurių negalima apibūdinti matematiškai - matematinių ir statistinių, lentelių, erdvinių ir kitų metodų naudojimas objekto ryšiams tirti remiantis tam tikromis prielaidomis;

• objekto dinaminių charakteristikų konstravimas diferencialinių lygčių arba grafikų pavidalu, skirtas pereinamiesiems objekto procesams tirti, atsižvelgiant į visas pagrindines objekto savybes (talpa, atsilikimas, savaiminis niveliavimas);

• objekte naudoti tokias technines priemones, kurios užtikrintų informacijos apie visų dominančių objekto parametrų pasikeitimą išskleidimą vieningų signalų, išmatuotų jutikliais, pavidalu;

• pavarų su valdomomis pavaromis naudojimas objektui valdyti;

• nustatant patikimai žinomas objekto išorinių trikdžių kitimo ribas.

Antrieji reikalavimai apima:

• ribinių automatizavimo sąlygų nustatymas pagal valdymo užduotis;

• įvežamų kiekių apribojimų ir kontrolės veiksmų nustatymas;

• optimalumo (efektyvumo) kriterijų apskaičiavimas.

Automatikos objekto pavyzdys – liejykloje liejimo smėlio paruošimo įrenginys

Formavimo smėlio gamybos procesas susideda iš pradinių komponentų dozavimo, padavimo į maišytuvą, gatavo mišinio sumaišymo ir tiekimo į liejimo linijas, panaudoto mišinio apdorojimą ir regeneravimą.

Liejyklų gamyboje dažniausiai naudojamų smėlio-molio mišinių pradinės medžiagos: atliekų mišinys, šviežias smėlis (užpildas), molis arba bentonitas (rišiklio priedas), malta anglis arba anglies turinčios medžiagos (nelipnus priedas), ugniai atsparūs ir specialūs priedai (krakmolas). , melasa), taip pat vanduo.

Maišymo proceso įvesties parametrai yra nurodytų liejimo medžiagų sąnaudos: panaudotas mišinys, šviežias smėlis, molis ar bentonitas, malta anglis, krakmolas ar kiti priedai, vanduo.

Pradiniai parametrai – reikalingos liejimo mišinio mechaninės ir technologinės savybės: atsparumas sausai ir šlapiai, dujų pralaidumas, tankinimas, formuojamumas, takumas, tūrinis tankis ir kt., kurios kontroliuojamos laboratorine analize.

Be to, išėjimo parametrai taip pat apima mišinio sudėtį: aktyvių ir efektyvių rišiklių kiekis, aktyvintos anglies kiekis, drėgmės kiekis arba rišiklio drėkinimo laipsnis, smulkių dalelių kiekis - drėgmę sugeriančios smulkios dalelės. ir mišinio granulometrinė sudėtis arba smulkumo modulis.

Taigi proceso valdymo objektas yra mišinio sudedamoji sudėtis. Pateikus optimalią gatavo mišinio komponentų sudėtį, nustatytą eksperimentiniu būdu, galima pasiekti tam tikru mišinio mechaninių ir technologinių savybių stabilizavimą.

Mišinio ruošimo sistemos trikdžiai labai apsunkina mišinio kokybės stabilizavimo užduotį. Sutrikimo priežastis yra recirkuliacijos srautas – atliekų mišinio naudojimas. Pagrindinis mišinio ruošimo sistemos pasipiktinimas – liejimo procesai. Veikiant skystam metalui, mišinio dalyje, esančioje arti liejimo ir įkaitintoje iki aukštų temperatūrų, vyksta esminiai aktyvaus rišiklio, anglies ir krakmolo, sudėties pokyčiai ir jų perėjimas į neaktyvų komponentą.

Mišinio paruošimas susideda iš dviejų nuoseklių procesų: mišinio dozavimo arba maišymo, kuris užtikrina reikiamos komponento sudėties gavimą, ir maišymo, kuris užtikrina homogeniško mišinio gavimą ir suteikia jam reikiamas technologines savybes.

Šiuolaikiniame formavimo mišinių ruošimo technologiniame procese naudojami nuolatiniai žaliavų (liejimo) medžiagų dozavimo metodai, kurių užduotis yra sukurti pastovų pastovaus kiekio medžiagos ar atskirų jos komponentų srautą su srauto nukrypimais nuo duota ne daugiau nei leistina.

Maišymo proceso, kaip valdymo objekto, automatizavimas gali būti atliekamas šiais būdais:

• racionali mišinio ruošimo sistemų konstrukcija, leidžianti pašalinti arba sumažinti trikdžių įtaką mišinio sudėčiai;

• svėrimo dozavimo metodų naudojimas;

• sujungtų kelių komponentų dozavimo valdymo sistemų sukūrimas, atsižvelgiant į proceso dinamiką (maišytuvo inerciją ir vėlavimą), o pagrindinis komponentas turėtų būti panaudotas mišinys, turintis reikšmingų srauto greičio ir sudėties svyravimų;

• automatinis mišinio kokybės valdymas ir reguliavimas jo ruošimo metu;

• automatinių prietaisų, skirtų kompleksiniam mišinio sudėties ir savybių valdymui, su valdymo rezultatų apdorojimu kompiuteriu kūrimas;

• savalaikis mišinio receptūros pakeitimas keičiant mišinio / metalo santykį formoje ir liejimo aušinimo laiką prieš plakant.