Рябов В.Т. - Функции, структура и элементная база систем автоматического управления (1041593), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Новые приводы и средства управления приводят к революционным преобразо-

ваниям структурно-компоновочных решений и перераспределению функции между меха-ническими, электронными и программными компонентами оборудования. Появление прецизионных преобразователей электрической и иных видов энергии в координатные перемещения, как за счет использования обратных связей, так и изначально кинематиче-ски точных, все более вытесняют традиционные кинематические цепи, но требуют, в свою очередь, специальных средств управления энергетическими потоками. Кинематические связи заменяются связями между энергетическими потоками , а эти связи могут быть орга-низованы как жесткой структурой блоков энергопитания и управления, так и связями в программном обеспечении. Новые приводы и средства управления могут реализовать все свои преимущества лишь в рамках достаточно гибких структур, закладываемых на на-чальных этапах проектирования.

Таким образом, структура САУ во многом определяет структурно-компоновочное решение машины в целом и должна прорабатываться на этапе технического предложения в комплексе со структурой исполнительных механизмов и системой их энергообеспечения.

Состав оборудования электронной техники. Любая технологическая машина обрабатывает материальные, энергетические и информационные потоки. По тому, для об-работки какого из потоков целевым образом предназначен элемент или подсистема маши-ны, все их можно разделить на систему целевых механизмов машины, систему энерго-обеспечения или энергопитания и систему управления (рис. В.1.).

Целевые или исполнительные механизмы ИМ непосредственно взаимодействуют с полуфабрикатами и заготовками . На входе таких механизмов материальный поток М (за-готовки, технологические среды обработки) . Для своей работы целевые механизмы нуж-даются в потоке энергии Э того или иного вида (электроэнергия, пневмопривод, гидро-привод и т.п.). Основное назначение энергетического потока – совершение работы по предписанному технологией преобразованию свойств полуфабрикатов.

Основная задача системы энергообеспечения заключается в питании исполнитель-ных механизмов тем или иным видом энергии . Для этого система получает поток энергии извне и преобразуя и модулируя его должным образом, передает к ИМ.

Система автоматического управления САУ преобразует информационные потоки. Ее основная задача или основная целевая функция – на основе информации о состоянии объекта управления И (состоянии системы целевых механизмов и системы энергообеспе-чения) выдать такие управляющие воздействия, чтобы технологическая машина функцио-нировала в соответствии с предписанной или директивной технологией.

В развитом исполнительном механизме также можно выделить свою подсистему исполнительных механизмов, энергообеспечения и управления. На рис. В.1. это отражено в виде рекурсии, когда структура технологической машины многократно отображена в структуре исполнительного механизма.

Рябов Владимир Тимофеевич. Кафедра « Электронные технологии в машиностроении » МГТУ им. Н. Э. Баумана, V_Ryabov@mail.ru

5

Рис. В.1. Состав технологической машины.

Соединены между собой и взаимодействуют подсистемы и элементы машины че-рез материальные, энергетические и информационные потоки. Для каждого элемента или подсистемы можно выделить: целевой интерфейс, определяющий его назначение и спо-соб взаимодействия в системе; механический интерфейс, определяющий расположение, крепление и подключение элемента к материальным потокам; энергетический интер-фейс, определяющий виды и характеристики и правила взаимодействия питающих его по-токов энергии; информационный интерфейс, определяющий виды, характеристики и правила (протоколы) обмена информацией на различных функциональных уровнях.

Определить элемент или подсистему технологической машины и сформулировать четкое техническое задание на его дальнейшую проработку - значит полностью опреде-лить его целевой, механический, энергетический и информационный интерфейсы.

Таким образом, все три подсистемы технологической машины оказываются рас-пределенными по ряду иерархических уровней и обрабатывают материальные потоки, по-токи энергии и информации, как между отдельными исполнительными механизмами, так и внутри них.

Информация, снимаемая с датчиков, характеризующих состояние объекта и техно-логического процесса, может быть представлена в дискретном (чаще всего двоичном) и аналоговом виде, аналогично и представление управляющей информации.

В соответствии с этим для связи с объектом управления необходимо иметь 4 вида сигналов: дискретное управление и дискретный контроль (ДУ и ДК) и аналоговое управление и аналоговый контроль (АУ и АК). Кроме того, для обмена между микро-контроллерами, как внутри объекта, так и для внешнего обмена с цеховыми системами управления и иными информационными системами, необходим обмен по последователь-ным каналам связи.

При аналоговом представлении информация непосредственно «зашита» в значении контролируемого или выдаваемого на объект управления сигнала (напряжения или тока), например, напряжение с датчика давления 3,45В. Это напряжение, исходя из характери-

Рябов Владимир Тимофеевич. Кафедра « Электронные технологии в машиностроении » МГТУ им. Н. Э. Баумана, V_Ryabov@mail.ru

6

стики датчика, легко может быть преобразовано в соответствующее значение давления. Например, характеристика типового датчика давления имеет вид:

U = − 0,6 +0,05P,

где U – выходное напряжение датчика в вольтах, Р – давление в килопаскалях. При дискретном кодировании во внимание принимается соотношение рассматри-

ваемой величины и нескольких порогов сравнения. При двоичном кодировании порог сравнения один и информация может приобретать два значения «0» или «1». Ноль, если величина меньше порога, единица, если больше. Широкое применение в вычислительной технике получили сигналы ТТЛ- уровня (уровня Транзисторно-Транзисторной Логики), при этом сигнал считается нулем, если его напряжение менее Uс>0,8В и единицей, если Uс >2,2. В диапазоне от 0,8 до 2,2В сигналов быть не должно, что повышает надежность их распознавания.

Единица информации в дискретном представлении - 1 Бит - это сообщение о том произошло или нет одно из двух равновероятных событий.

Функции системы автоматического управления можно разделить на три клас-

са: основные целевые функции, сервисные функции и функции коррекции цели. Основные целевые функции предназначены для управления технологическим про-

цессом в соответствии с предписанной директивной технологией. Эта технология мо-жет быть задана на разных уровнях : от жестокого описания поведения объекта в про-странстве состояний его параметров до указания цели функционирования. При этом сис-тема сама выбирает оптимальную траекторию за счет заложенных в нее правил (алго-ритма) или даже оптимизирует эти правила за счет накопления и анализа опыта работы. Для реализации целевой функции система должна принимать с объекта необходимую информацию, рассчитывать и выдавать на него управляющие сигналы.

Сервисные функции направлены на наилучшую организацию выполнения целевых функций за счет поддержания безотказности, ремонтопригодности и долговечности ма-шины. Микропроцессорные САУ имеют очень широкие возможности по реализации сер-висных функций. Именно этот класс функций подчас существенно определяет эффектив-ность оборудования. Известны следующие примеры сервисных функций: автоматическое резервирование; предотвращение катастрофических последствий отказов и повышение ремонтопригодности; диагностика и предсказание отказов, отслеживание остаточного ресурса механизмов; защита от программных и аппаратных сбоев САУ и др.

Система управления должна эффективно поддерживать работоспособность обору-дования. Например, в сверхвысоковакуумных откачных установках при отказе основного вакуумметра САУ автоматически переходит на управление от резервного. Если и он от-кажет, могут использоваться альтернативные источники информации о давлении в систе-ме, например, значение тока разряда магниторазрядного насоса.

Функции коррекции цели предназначены для изменения алгоритма работы САУ на уровне технолога или оператора и должны иметь логичный и дружественный интер-фейс, поскольку во многом определяют возможности адаптации машины к условиям кон-кретного пользователя и удобство работы на ней.

Функции САУ укрупнено определяют цель действий, отвечают на вопрос – что должна делать машина, не конкретизируя, как это делать. Для реализации каждой из функций предусматривается ряд параллельно протекающих последовательных процессов. В последующих разделах курса мы вернемся к детальному рассмотрению отдельных функций САУ.

Концепции последовательной и параллельной проработки компонентов тех-

нологической машины. В разработке современной технологической машины принимают участие три группы специалистов: инженеры механики, разрабатывающие машину в це-лом и ее целевые механизмы , инженеры электрики и электронщики, разрабатывающие систему энергообеспечения и аппаратную часть системы управления и инженеры про-граммисты, разрабатывающие программное обеспечение.

Рябов Владимир Тимофеевич. Кафедра « Электронные технологии в машиностроении » МГТУ им. Н. Э. Баумана, V_Ryabov@mail.ru

7

Исходя из заданной технологии, в большинстве случаев первоначально создаются механические компоненты машины – исполнительные механизмы, затем система управ-ления и, наконец, ее программное обеспечение. Таким образом, сложилась цепочка: тех-нология - механические компоненты - аппаратная часть системы управления - программ-ное обеспечение. Обратные связи в этой последовательности, как правило, реализуются слабо. Если разработчик аппаратной части системы управления и может в какой-то сте-пени повлиять на концепцию построения механических компонент машины, конструкцию отдельных механизмов, то ожидать влияния программиста практически не приходится.

Для успешной реализации такой цепочки закладывают избыточность в механизмы, а затем и в аппаратную часть системы управления. Программы же, созданные для практи-чески готовой машины, никогда не будут оптимальными, потеряют в краткости, надеж-ности и быстродействии, что, в свою очередь, потребует избыточности аппаратной части.

Одновременное согласованное проектирование механических, электронных и про-граммных компонентов, исходя из заложенных в оборудование процессов, устраняет их избыточность, не реализованную в параметрах машины, а также позволяет сократить сроки разработки. Появляется возможность обоснованно выбрать и распределить функции различных компонентов машины, ввести помимо ее основной функции - реализации за-данной технологии - ряд дополнительных, обеспечивающих ее безотказность, ремонто-пригодность, надлежащую гибкость и др.

Кроме того, исходя из процессов, намеченных для реализации выбранных целей, можно будет разделить машину на функционально законченные автономные элементы с единым механическим, энергетическим и информационным интерфейсом, что позволит отлаживать и проверять их отдельно, т.е. ускорить разработку.

Механические, электронные и программные компоненты сообща достигают по-ставленной цели, реализуя предписанный набор процессов в каждом из трех видов ресур-сов (система исполнительных механизмов, система их энергообеспечения и система управления). На фоне общего технического прогресса явно выражена тенденция интенси-фикации применения и усложнения программного обеспечения, затем аппаратного осна-щения (ресурсов) систем управления, систем энергообеспечения и, наконец, целевых ме-ханизмов. Важно еще на ранних стадиях проектирования рационально распределить функции между ресурсами различного рода и сформулировать четкие технические зада-ния на них, чтобы повысить качество, распараллелить работу и ускорить ее окончание.

Характеристики

Список файлов книги