Техника автоматизации. Автоматическое управление

ЛЕКЦИЯ 3 1.3 Техника автоматизации. Автоматическое управление. 1.3.1 Процесс управления и его виды. При автоматизации установок производственной техники происходит взаимодействие устройств названной техники с информационной. Оно характеризуется тем, что на основании информации получаемой путем измерения, оказывается воздействие на поток энергии или вещества таким образом, чтобы целенаправленно изменить определенные физические или технико-экономические показатели. В соответствии с ранее приведенным определением (см. 1.1.1) это – процесс управления. Различают три следующих вида управления: • ручное, которое осуществляется непосредственно человеком; • автоматизированное, которое осуществляется человеком, но посредством необходимых технических систем; • автоматическое, которое осуществляется без непосредственного участия человека. Управление всегда предполагает определенную цель, определенную постановку задачи, формулировка которой не относится к кибернетике. В качестве примера рассмотрим процесс управления температурой помещения на основании замеренной внешней температуры. Если положение регулирующего вентиля отопления устанавливает оператор, на основании замеренной внешней температуры, то в этом случае сбор и обработка информации, а также энергетическое воздействие на систему осуществляет человек. Это пример ручного управления (рис. 1.8) Рисунок 1.8 При автоматическом управлении (рис. 1.9) сбор информации, обработка ее и последующее воздействие осуществляется самостоятельно, так как при увеличении температуры окружающей среды столбик ртути замыкает цепь питания обмотки реле, которое через свой контакт включает или выключает цепь привода вентиля. Рисунок 1.9 В рассмотренном примере цель процесса управления – поддержание температуры в помещении на заданном уровне при изменении температуры окружающей среды. 1.3.2 Объект управления, управляющее устройство и исполнительный орган. Несмотря на различие задач, решаемых в процессе управления и разнородности устройств, с помощью которых это осуществляется, в любой системе, реализующей процесс управления, можно выделить три следующих основных элемента: • объект управления, т.е. часть установки на которою оказывается управляющее воздействие и изменения в которой являются определяющими для выполнения задачи управления; • управляющее устройство, т.е. совокупность элементов, которая служит для оказания воздействия на объект через исполнительный орган в соответствие с поставленной задачей; • исполнительный орган, т.е. звено, которое служит для непосредственного целенаправленного воздействия на поток энергии или вещества. (Исполнительный орган можно рассматривать как элемент, относящийся к объекту управления) Структурная схема, поясняющая взаимодействие перечисленных элементов приведена на рис. 1.10 Рисунок 1.10 Звенья объекта и устройства называют элементарными звеньями. Временные характеристики входных и выходных величин этих звеньев называются входными и выходными сигналами. В кибернетических исследованиях именно эти временные характеристики представляют основной интерес. В качестве иллюстрации введенных понятий рассмотрим на примере автоматического регулирования температуры (см. рис. 1.9). В данном случае объект управления включает в себя следующие элементарные звенья (рис. 1.11): • исполнительный вентиль; • теплообменник; • помещение. Рисунок 1.11 Отметим, что входные сигналы, воздействующие на объект, называются сигналами помехи, если они неуправляемы и исполнительными сигналами или сигналами управления если они управляемы. Сигналы помехи могут быть как измеряемыми, так и не измеряемыми. Выходные сигналы называют также управляемыми сигналами. 1.3.3 Значение автоматизации. Кибернетический аспект этого процесса. Автоматизация промышленных процессов имеет громадное значение. Она позволяет: • улучшить качество продукции и снизить расходы благодаря более точному выполнению оптимальных условий производства и более быстрой настройке; • реализовать процессы, управление которыми должно (по требованиям безопасности) осуществляться без участия человека; • осуществлять быстропротекающие процессы, которые без автоматического управления были бы нестабильны и реализация которых, была бы непосильна для человека вследствие ограниченной скорости реакции; • освободить человека от выполнения рутинной работы, возложив ее на технические устройства, и тем самым расширить возможности человека в творческой работе. Автоматизированный производственный процесс, реализованный на элементах и с помощью методов производственной и информационной техники, может рассматриваться в различных аспектах. В экономическом аспекте рассматривается эффективность, с которой энергия и сырье, используемые в процессе, преобразуются в необходимые формы энергии и требуемые изделия. В технологическом аспекте изучаются технологические методы наиболее приемлемые для решения данных задач и соответственно технико-экономически целесообразное оснащение приборами. Сюда относится и принятие решения о том, следует ли осуществлять измерение и обработку информации об эксплуатационных параметрах, а также последующее регулирование потоков энергии или вещества с помощью электрических, гидравлических и других средств. Это решение зависит от ряда факторов, в том числе: • физической природы измеряемых параметров; • требуемой точности и скорости измерений и обработки информации; • надежности, взрывобезопасности и стоимости приборов, и т.д. Задачей устройств автоматизации является автоматическое управление, т.е. самостоятельное целенаправленное воздействие на структуру и определенные параметры объекта. Одна и та же задача управления может быть решена с помощью целого ряда различных вариантов оснащения приборами. Это положение иллюстрирует пример, приведенный на рис. 1.12 Здесь задача по регулированию уровня жидкости в резервуаре решена с помощью механических (а), электромеханических (б) пневматических (в) и гидравлических (г) средств. а) б) в) г) Рисунок 1.12 Для выяснения эффективности решения собственно задачи управления необходимо рассматривать автоматизированную систему не в технологическом или экономическом, а в кибернетическом аспекте. В этом случае абстрагируются от конкретной реализации системы и строят ее кибернетическую модель, содержащую информацию, характеризующую в основном управление, а именно: • преобразование или обработку входных сигналов отдельных звеньев системы в соответствующие выходные сигналы; • структурное расположение отдельных звеньев, т.е. их связь в общей системе. Эти сведения, которые представляются математическими функциями и другими им эквивалентными изображениями, достаточны для исследования качества данной системы или для решения собственно задачи управления. Конкретные технические и нетехнические системы (например, биологические или экономические) в кибернетическом аспекте могут быть принципиально эквивалентны, т.е. иметь одинаковую кибернетическую модель. Они могут быть смоделированы на аналоговой ВМ с помощью одной вычислительной схемы, а на ЭЦВМ – с помощью одной программы, и различные параметры в различных системах при одинаковых возмущениях имеют одинаковую временную характеристику. Кибернетика – наука об управлении, т.е. целенаправленном воздействии на системы, а также о процессах обработки информации и их автоматизации, которые отражают сущность процессов управления. Она применима к любым системам и служит для того, чтобы познать закономерности процессов управления, обработки информации в природе, технике, обществе и использовать для синтеза или совершенствования систем. Кибернетические методы, используемые для анализа и проектирования (автоматизированных) систем называются технической кибернетикой, для исследования биологических систем – биокибернетикой, для исследования и совершенствования экономических систем – экономической кибернетикой.