Обобщенная структура системы управления
Устройство (или совокупностьустройств), осуществляющее технологический процесс и нуждающееся в специальноорганизованных воздействиях извне для осуществления его алгоритмафункционирования, называется управляемым объектом.
Алгоритм управления — совокупностьпредписаний, определяющая характер воздействий извне на управляемый объект сцелью осуществления его алгоритма функционирования.
Управление — процессосуществления воздействий, соответствующих алгоритму управления. Обычноуправление не может полностью компенсировать влияние возмущений в каждый моментвремени и поэтому алгоритм функционирования управляемого объекта выполняетсялишь приближенно.
Устройство, осуществляющее всоответствии с алгоритмом управления воздействие на управляемый объект,называется управляющим устройством. Алгоритм функционирования управляющегоустройства и есть алгоритм управления.
Совокупность управляемогообъекта и управляющего устройства, взаимодействующих между собой, называютсистемой управления. В одной системе может быть несколько управляемых объектовили управляющих устройств.
Технологический процесс — совокупностьпоследовательных и параллельных операций, направленных на достижение требуемогопроизводственного результата.
Совокупность технологическогопроцесса и реализующего его оборудования называют технологическим объектомуправления.
Процесс управления можноразделить на четыре этапа циркуляции информации:
получение информации;
переработка информации (принятиеправильного решения, влияющего на ход процесса);
использование информации (изменениехода производственного процесса в нужном направлении);
передача информации (этап вкаждом “цикле” управления повторяется дважды).
В соответствии с указаннымиэтапами технические средства систем управления можно подразделить на четырегруппы:
средства получения (формирования)информации: датчики, сенсоры, измерительные приборы и т.п. (КИП);
средства передачи информации нарасстояние: системы телемеханики (СТМ), в более общем случае — системы передачиинформации (СПИ);
средства переработки информации:устройства вычислительной техники (УВТ) и другие специализированные устройства;
средства для использованияинформации: автоматические регуляторы, исполнительные механизмы (ИМ).
/>
Рис.1. Обобщенная структурасистемы управления
Структура современной системыуправления производством на примере системы управления угольной шахты приведенана рис. 2.
/>
Рис.2. Структура современнойсистемы управления производством на примере системы управления угольной шахты
ПУ СТМ — пункт управлениясистемы телемеханики; КП СТМ — контролируемый пункт системы телемеханики; АКУ — аппаратура контроля и управления оборудованием; ВМП — вентилятор местногопроветривания.
Первичные преобразователи илидатчики используются для получения сигналов, которые далее могут обрабатыватьсяв электронных схемах, кодироваться с помощью АЦП, запоминаться ианализироваться компьютерами.
Если исследуемый (получаемый) сигналнастолько мал, что его маскируют шумы и помехи, то используются мощные методывыделения частот сигнала, такие, как синхронное детектирование, усреднениесигналов, многоканальные счетчики, а также корреляционный и спектральныйанализы, с помощью которых требуемый сигнал восстанавливается.
Применяемые в промышленностидатчики подразделяются на два больших класса: дискретные и аналоговые.
В дискретных датчиках выходнойсигнал может иметь только два значения (например, “включено" — “выключено”и т.д.), а в аналоговых присутствует весь спектр измеряемой величины.
Существуют датчики аналоговые попринципу измерения, но дискретные по виду выходного сигнала. Это имеет место,когда для функционирования системы не обязательно иметь информацию о всехзначениях какой-либо величины, а достаточно знать, превышает эта величиназаданное (например, аварийное) значение или нет.
Все датчики подразделяются наконтактные и бесконтактные по типу “съема” сигнала с объекта. Например,измерение силы электрического тока может быть произведено с помощью обычногоамперметра, который включается в разрыв электроцепи, а также прибором,использующим эффект Холла, который реагирует на магнитное поле, создаваемоепротекающим по проводнику током.
Пример простейшего дискретногодатчика — датчик уровня жидкости, который сам по себе является контактом,который замкнут, если находится ниже уровня жидкости и разомкнут, если выше.
Дискретные датчики имеют либорелейный выход (контакт замкнут или разомкнут), либо ключевой, обычнополупроводниковый (ключ открыт или закрыт).
Аналоговые датчики можноподразделить на измеряющие электрические и неэлектрические величины.
К первой группе относятсяизмерители тока, напряжения, мощности, количества эл. энергии и т.д.
Наиболее широкораспространенными представителями второй группы являются измерителитемпературы, уровня светимости, магнитного поля, усилия, перемещения, скоростии т.д.
Датчики температуры.
Термопары.
При соединении между собой двухпроводов из различных металлов на их концах возникает небольшая разностьпотенциалов обычно около 1 мВ с температурным коэффициентом около 50 мкВ/°С. Такие соединения называюттермопарами. Комбинируя различные пары сплавов, можно измерять температуры от — 270 до +2500°С сточностью 0,5 — 2°С. Каждаяпара изготовляется путем сварки (спайки) двух разных металлов таким образом,чтобы получилось небольшое по размеру соединение — спай. Типичные термопары: J- железо — константан (55% Cu — 45% Ni); Т — медь — константан; R — платина — 87%Pt — 13% Rh и т.п. Всего различают 7 основных типов термопар.
Термисторы — полупроводниковыеустройства, у которых температурный коэффициент сопротивления (ТКС) » — 4%/°С.Диапазон от — 50 до+300°С. Точность 0,1- 0,2°С. Обычно имеют сопротивлениенесколько сотен Ом при комнатной температуре. Не предъявляют высоких требованийк последующим электрическим схемам. Наиболее часто применяется мостовая схемаподключения термистора в сочетании с дифференциальным усилителем.
Термисторный метод измерения посравнению с другими проще и точнее, но термисторы чувствительны ксаморазогреву, хрупки и пригодны для относительно узкой области температур.
Платиновые термометрысопротивления представляют собой просто катушку из очень чистой платиновойпроволоки с положительным ТКС » 0,4%/°С. Чрезвычайно стабильны во времени, точны (0,02- 0,2°С), имеют широкий диапазонизмерения (от — 200 до +1000°С), ностоимость их высока.
Датчики температуры на ИС. Падениенапряжения на полупроводниковом p-n переходе также зависит оттемпературы. В настоящее время выпускаются интегральные микросхемы,использующие этот эффект, с токовым, потенциальным либо частотным выходом. Типовойдиапазон от — 55 до +125°С, точность ± 1°С,отличаются простотой внешних соединений.
Кварцевые термометры используютэффект изменения резонансной частоты кристалла кварца со специально подобраннымсечением (типовые кварцевые генераторы имеют самый низкий ТК). Отдельныеобразцы таких датчиков имеют погрешность 4´10-5°С в диапазоне от — 50 до +150°С.
Бесконтактное или дистанционноеизмерение температуры возможно с помощью пирометров и термографов. Удобно дляизмерения температуры очень горячих объектов или же объектов, расположенных внедоступных местах.
Деформация и смещение (положение,усилие).
Измерение таких физическихпеременных, как положение и усилие, само по себе достаточно сложно, и прибордля измерения этих величин должен включать в себя такие устройства, кактензодатчик, дифференциальный преобразователь линейных перемещений (ДПЛП) и т.д.Основным здесь является измерение перемещения.
Существует несколько наиболеечасто используемых методов измерения положения, смещения (изменение положения) идеформации (относительного удлинения).
ДПЛП строятся в видетрансформаторов с подвижным сердечником, в которых возбуждается переменнымтоком одна обмотка и измеряется индуцированное напряжение во второй обмотке.
Тензодатчики измеряют удлинениеи (или) изгиб сборки из четырех металлических тонкопленочных резисторов,подвергаемой деформации. Электрическая схема тензодатчиков подобна мостовой: надва противоположно расположенных зажима подается постоянное напряжение, а сдвух других снимается разность потенциалов.
Емкостные преобразователи. Оченьчувствительный метод измерения перемещений реализуется с помощью двух близкорасположенных друг к другу пластин или одной пластины, заключенной между паройвнешних пластин. Включив такой конденсатор в резонансную схему, можно измеритьочень малые изменения положения. Емкостные микрофоны используют этот принципдля преобразования акустического давления или скорости его изменения вэлектрический сигнал звуковой частоты.
Измерение углов поворота объектапроизводится с помощью специальных модификаций ДПЛП или синусно-косинусныхпреобразователей. В обоих случаях используется возбуждение переменным током, иугловое положение измеряется с точностью до угловой минуты.
Измерение положения с высокойточностью (1 мкм) можно проводить, используя отражение лазерного луча отзеркал, скрепленных с объектом, и считывая число интерференционных полос (интерферометрия).
Кварцевые кристаллы откликаютсяна деформацию изменением своей резонансной частоты. Этим обеспечивается оченьточный метод измерения малых смещений или изменений давления.
Описанные методы позволяютизмерять скорость, ускорение, давление, силу (массу).
В промышленности и бытовойтехнике широко используется оптико-механический способ измерения перемещения искорости. Он основан на применении оптопары (фотодиод-светодиод или оптрон соткрытым каналом) и диска с лепестками, приводимого во вращение поверхностьюобъекта, скорость перемещения которого необходимо измерить.
С помощью измерения магнитныхполей возможно “бесконтактное” измерение силы тока и других производных величин.Такие датчики основаны на эффекте Холла, который вызывает появление поперечногонапряжения на токонесущем куске материала (обычно это полупроводник),помещенном в магнитное поле.
Измерить частоту, периодколебаний или временной интервал с высокой степенью точности достаточно простоимея генератор эталонной частоты и несложную цифровую схему обработки.
Измерение уровня излучения внастоящее время осуществляется в основном полупроводниковыми приборами — фотосопротивлениями,фотодиодами, фототранзисторами, и основано на эффекте возникновения фототокапри попадании света (потока фотонов) на обратно смещенный р-n переход.
В обычных фотодиодахпреобразование световой энергии в электрический ток происходит без усиления, ав лавинных фотодиодах и фототранзисторах — с усилением.
В промышленных системахуправления важным элементом являются устройства гальванической развязки. Ониреализуются чаще всего на базе трансформаторов или оптронов (оптронная развязка).
Оптрон — оптическая пара,состоящая из светодиода и фотодиода (фототранзистора, фототиристора),заключенных в одном корпусе.
Оптронная развязка обладаетлучшими характеристиками, меньшими габаритами и стоимостью, чемтрансформаторная.
Гальваническая развязкаиспользуется для повышения безопасности, помехоустойчивости и надежностиаппаратуры.
Важнейшим элементом системявляются ЦАП и АЦП.
Цифро-аналоговый преобразователь(ЦАП) представляет собой устройство для автоматического декодирования входныхвеличин, представленных числовыми кодами (цифровых сигналов), в непрерывные вовремени сигналы, необходимые для работы с аналоговыми устройствами.
Аналого-цифровой преобразователь(АЦП) представляет собой устройство для автоматического преобразованиянепрерывно изменяющихся во времени аналоговых сигналов в эквивалентные значениячисловых кодов.
Современные СПИ представляютсобой сложные комплексы, состоящие из различных функционально взаимосвязанныхэлементов. Эти системы характеризуются не только большим числом элементов, но ииерархичностью структуры, избыточностью, наличием между элементами прямых,обратных и перекрестных связей.
Обобщенная модель СПИ
/> А S X A¢
Источник Передатчик Канал Приемник Получатель
/>сообщений сообщений
f (t)
(шум)
Канал (в узком смысле) — среда,используемая для передачи сигналов от передатчика к приемнику.
Передатчик — устройство,преобразующее сообщения источника А в сигналы S, наиболее соответствующиехарактеристикам данного канала. Операции, выполняемые передатчиком, могутвключать в себя формирование первичного сигнала, модуляцию, кодирование, сжатиеданных, и т.д.
Приемник реализует функцию обработкисигналов X (t) = S (t) + f (t) на выходе канала с целью наилучшеговоспроизведения (восстановления) переданных сообщений А на приемном конце.
Типичные виды передаваемыхсигналов:
1) сигналы телемеханики (данные);
2) речевые (звуковые) сигналы;
3) видеосигналы.
Тип канала связи определяет вбольшинстве случаев тип, назначение, область применения и основныехарактеристики СПИ.
1) проводные каналы — информацияпередается по электрическим кабелям различного типа:
телефонная пара — используетсяпри невысоких требованиях к пропускной способности канала и помехоустойчивости,наиболее дешевый вид кабеля;
витая пара — кабель состоит изпопарно свитых проводников, что снижает удельную емкость, а следовательно,увеличивает полосу пропускания;
коаксиальный кабель — сигнальныйпровод расположен строго по оси кабеля (аксиально), а общий провод — вокругнего, выполняя еще и функцию экрана, причем отделен от сигнального диэлектрикомна определенное расстояние, что значительно снижает удельную емкость и повышаетпомехоустойчивость. Коаксиальные кабели обладают наибольшей пропускнойспособностью по сравнению с предыдущими типами (сотни МГц), но значительнодороже.
силовая сеть электроснабжения — используетсяв качестве канала связи при невысоких требованиях к пропускной способности иликогда прокладка отдельной линии связи невозможна либо нецелесообразна. Требуетдовольно сложных устройств присоединения к каналу.
2) радиоканал — информацияпередается путем распространения электромагнитных колебаний в свободной среде. Оченьширокая область применения: промышленность, телефонная связь, телевидение,радиовещание, спутниковая связь и т.д. Требует значительных затрат при созданиипередающих станций для передачи на большие расстояния, поэтому обычноприменяется при большом количестве абонентов.
3) оптический канал — может бытьоткрытым и световодным.
открытый оптический канал — информацияпередается световыми сигналами через атмосферу, в настоящее время практическине имеет применения из-за зависимости характеристик от состояния атмосферы.
канал связи на волоконныхсветоводах — световой поток распространяется по специально организованномуканалу — световоду.
Волоконно-оптическая связь — самаяновая отрасль в области СПИ, и наиболее перспективная во многих применениях,особенно в промышленности.
В качестве среды распространениясветовых колебаний используются волоконные световоды, светопроводящий слой (сердцевина)которых выполнен из кварца с очень высокой прозрачностью (в десятки тысяч разпрозрачнее обычного оконного стекла), а оболочка — из полимерных материалов,несущих защитную функцию. Сердцевина, в свою очередь, выполняется двухслойной,причем коэффициент преломления внешней части отличается от коэффициентапреломления внутренней. За счет этого световой поток, попадающий в световод,многократно отражается от границы раздела слоев и таким образом проходит черезсветовод.
Волоконно-оптические системыпередачи (ВОСП), базирующиеся на применении волоконных световодов, обладают следующимиосновными преимуществами по сравнению с другими системами:
невосприимчивость кэлектромагнитным помехам (особое значение имеет для применения в промышленностис опасными условиями);
высокая пропускная способность идальность передачи;
малые габариты и масса кабеля;
отсутствие ценных материалов вкабеле;
полная гальваническая развязкамежду приемной и передающей частями;
практически невозможностьнесанкционированного доступа в физический канал связи, и многие другие.
Различают системы местного и дистанционногоуправления (телеуправление). Последние имеют место, когда производственныйпроцесс рассредоточен на большой площади. Это имеет место в системах управлениякрупными предприятиями: металлургические заводы, предприятия горнодобывающей,химической и других отраслей промышленности, а также на объектах управлениябольшой протяженности — нефтепроводы, линии электропередачи и т.д. В системахместного управления объекты управления обычно расположены компактно и нанезначительном расстоянии от управляющего устройства. Например,металлообрабатывающие станки с ЧПУ, подъемные краны и т.д. В этом случаеспециализированные СПИ не используются.
Существуют автоматические иавтоматизированные системы управления.
Система управления, в которойвсе функции управления процессом перекладываются с человека на автоматическиеустройства, называется автоматической системой управления.
В автоматизированной системеуправления функции управляющего устройства выполняют как средствавычислительной техники, так и человек.
Системы управления могут бытьклассифицированы и по другим самым различным признакам. Классификация поалгоритмическим и неалгоритмическим признакам приведена на рис 3.
/>
Рис.3. Классификация системуправления по алгоритмическим и неалгоритмическим признакам
Литература
1. Стехин А.П. Основы конструирования, моделирования ипроектирования систем управления производственными процессами: Учеб. пособие. — Донецк: ДонГАУ, 2008.
2. Лукас В.А. Основы теории автоматического управления. — М.: “Недра”, 1977.
3. Основы теории оптимального управления: Учеб. Пособие для эконом. Вузов /В.Ф. Кротов, Б.А. Лагоша, С.М. Лобанов и др.; Под ред. В.Ф. Кротова. — М.: Высш.Шк., 2008.
4. Иванилов Ю.П., Лотов А.В. Математические модели в экономике. — М.: “Наука”,2007