Objekty automatizácie a ich vlastnosti

Objekty automatizácie (riadiace objekty) — ide o samostatné zariadenia, kovoobrábacie stroje, stroje, agregáty, zariadenia, komplexy strojov a zariadení, ktoré je potrebné ovládať. Majú veľmi rôznorodý účel, štruktúru a princíp činnosti.

Predmet automatizácie je hlavnou zložkou automatického systému, ktorá určuje povahu systému, preto sa jeho štúdiu venuje osobitná pozornosť. Zložitosť objektu je určená najmä stupňom jeho poznania a rôznorodosťou funkcií, ktoré vykonáva. Výsledky štúdie objektu musia byť prezentované vo forme jasných odporúčaní týkajúcich sa možnosti úplnej alebo čiastočnej automatizácie objektu alebo absencie nevyhnutných podmienok pre automatizáciu.

Charakteristika objektov automatizácie

Návrhu automatického riadiaceho systému musí predchádzať prieskum lokality, aby sa stanovili vzťahy na mieste. Vo všeobecnosti možno tieto vzťahy reprezentovať ako štyri súbory premenných.

Kontrolovaná porucha, ktorých kolekcia tvorí L-rozmerný vektor H = h1, h2, h3, ..., hL... Zahŕňajú merateľné veličiny, ktoré závisia od vonkajšieho prostredia, ako sú ukazovatele kvality surovín v zlievarni, množstvo pary spotrebovanej v parnom kotli, prietok vody v prietokovom ohrievači vody, teplota vzduchu v skleníku, ktorá sa mení v závislosti od vonkajších podmienok prostredia a faktorov ovplyvňujúcich proces. Pre riadené poruchy sú obmedzenia kladené na technologické podmienky.

Ukazovateľ technologického procesu, ktorý sa má riadiť, sa nazýva riadená veličina (súradnica) a fyzikálna veličina, ktorou je ukazovateľ technologického procesu riadený, sa nazýva riadiaci úkon (vstupná veličina, súradnica).

Kontrolné akcie, ktorých súčet tvorí n-rozmerný vektor X = x1, x2, x3, ..., xn... Sú nezávislé od vonkajšieho prostredia a najvýznamnejší vplyv majú na technologický proces. S ich pomocou sa cielene mení priebeh procesu.

Na ovládanie akcií zahŕňajú zapínanie a vypínanie elektromotorov, elektrických ohrievačov, pohonov, polohu regulačných ventilov, polohu regulátorov atď.

Výstupné premenné, ktorej množina tvorí M-rozmerný stavový vektor Y = y1, y2, y3, ..., yМ... Tieto premenné sú výstupom objektu, ktorý charakterizuje jeho stav a určuje ukazovatele kvality hotového výrobku. .

Nekontrolované rušivé vplyvy, ktorých súbor tvorí G-rozmerný vektor F = ε1, ε2, ε3, …, εG... Zahŕňajú také poruchy, ktoré nie je možné z toho či onoho dôvodu merať, napríklad pre nedostatok senzorov.

Ryža. 1.Vstupy a výstupy objektu automatizácie

Štúdium uvažovaných vzťahov objektu, ktorý sa má automatizovať, môže viesť k dvom diametrálne odlišným záverom: medzi výstupnými a vstupnými premennými objektu existuje striktná matematická závislosť alebo medzi týmito premennými neexistuje závislosť, ktorú by bolo možné vyjadriť spoľahlivým matematickým vzorec.

V teórii a praxi automatického riadenia technologických procesov sa získali dostatočné skúsenosti s popisom stavu objektu v takýchto situáciách. V tomto prípade je objekt považovaný za jeden z odkazov v systéme automatického riadenia. V prípadoch, keď je známy matematický vzťah medzi výstupnou premennou y a riadiacou vstupnou akciou x objektu, sa rozlišujú dve hlavné formy zaznamenávania matematických popisov — sú to statické a dynamické charakteristiky objektu.

Statická charakteristika v matematickej alebo grafickej podobe vyjadruje závislosť výstupných parametrov od vstupu. Binárne vzťahy majú zvyčajne jasný matematický popis, napríklad statická charakteristika navažovacích dávkovačov na odlievacie materiály má tvar h = km (tu h je stupeň deformácie pružných prvkov; t je hmotnosť materiálu; k je faktor úmernosti, ktorý závisí od vlastností materiálu pružného prvku).

Ak existuje niekoľko premenných parametrov, ako statické charakteristiky možno použiť nomogramy.

Statická charakteristika objektu určuje následnú tvorbu automatizačných cieľov. Z hľadiska praktickej implementácie v zlievarstve možno tieto ciele zredukovať na tri typy:

• stabilizácia počiatočných parametrov objektu;

• zmena výstupných parametrov podľa daného programu;

• zmena kvality niektorých výstupných parametrov pri zmene podmienok procesu.

Množstvo technologických objektov však nie je možné opísať matematicky z dôvodu množstva vzájomne súvisiacich faktorov ovplyvňujúcich priebeh procesu, prítomnosti nekontrolovateľných faktorov a nedostatku vedomostí o procese. Takéto objekty sú zložité z hľadiska automatizácie. Stupeň zložitosti je určený počtom vstupov a výstupov objektu. Takéto objektívne ťažkosti vznikajú pri štúdiu procesov redukovaných prenosom hmoty a tepla. Preto sú pri ich automatizácii nevyhnutné predpoklady či podmienky, ktoré by mali prispieť k hlavnému cieľu automatizácie — zvýšiť efektivitu riadenia maximálnym priblížením technologických režimov k optimálnym.

Na štúdium zložitých objektov sa používa technika, ktorá spočíva v podmienenom zobrazení objektu vo forme „čiernej skrinky“. Zároveň sa študujú iba vonkajšie súvislosti, neberie sa do úvahy ani ranná štruktúra systému, teda skúma sa, čo objekt robí, nie ako funguje.

Správanie objektu je určené reakciou výstupných hodnôt na zmeny vstupných hodnôt. Hlavným nástrojom na štúdium takéhoto objektu sú štatistické a matematické metódy. Metodologicky sa štúdium objektu uskutočňuje nasledujúcim spôsobom: určia sa hlavné parametre, stanoví sa diskrétny rad zmien hlavných parametrov, umelo sa zmenia vstupné parametre objektu v rámci stanoveného diskrétneho radu, všetky zmeny vo výstupoch sa zaznamenávajú a výsledky sa štatisticky spracovávajú .

Dynamické charakteristiky objekt automatizácie je determinovaný množstvom jeho vlastností, z ktorých niektoré prispievajú ku kvalitnému procesu riadenia, iné mu bránia.

Zo všetkých vlastností automatizačných objektov, bez ohľadu na ich rozmanitosť, možno rozlíšiť hlavné, najcharakteristickejšie: kapacita, schopnosť samočinného zarovnania a oneskorenia.

Kapacita je schopnosť objektu akumulovať pracovné prostredie a ukladať ho do objektu. Akumulácia hmoty alebo energie je možná vďaka tomu, že v každom objekte je výstupný odpor.

Mierou kapacity objektu je koeficient kapacity C, ktorý charakterizuje množstvo hmoty alebo energie, ktoré je potrebné dodať objektu, aby sa riadená hodnota zmenila o jednu jednotku v akceptovanej veľkosti merania:

kde dQ je rozdiel medzi prítokom a spotrebou hmoty alebo energie; ru — riadený parameter; to je čas.

Veľkosť kapacitného faktora môže byť rôzna v závislosti od veľkostí riadených parametrov.

Rýchlosť zmeny riadeného parametra je tým menšia, čím väčší je kapacitný faktor objektu. Z toho vyplýva, že je jednoduchšie ovládať tie objekty, ktorých kapacitné koeficienty sú väčšie.

Samonivelačný Ide o schopnosť objektu vstúpiť po poruche do nového ustáleného stavu bez zásahu riadiaceho zariadenia (regulátora) Objekty, ktoré majú samonastavenie, sa nazývajú statické a tie, ktoré túto vlastnosť nemajú, sa nazývajú neutrálne alebo astatické. . Samonastavovanie prispieva k stabilizácii riadiaceho parametra objektu a uľahčuje činnosť riadiaceho zariadenia.

Samonivelačné objekty sa vyznačujú koeficientom (stupňom) samonivelácie, ktorý vyzerá takto:

V závislosti od samonivelačného koeficientu nadobúdajú statické charakteristiky objektu rôznu podobu (obr. 2).

Závislosť riadeného parametra na zaťažení (relatívnej poruche) pri rôznych koeficientoch samonivelácie: 1-ideálna samonivelácia; 2 — normálne samonivelačné; 3 — nedostatok samonivelácie

Závislosť 1 charakterizuje objekt, pre ktorý sa regulovaná hodnota nemení pri žiadnych poruchách, takýto objekt nepotrebuje ovládacie zariadenia. Závislosť 2 odráža normálne samozarovnanie objektu, závislosť 3 charakterizuje objekt, ktorý nemá žiadne samozarovnanie. Koeficient p je premenlivý, zvyšuje sa so zvyšujúcim sa zaťažením a vo väčšine prípadov má kladnú hodnotu.

Oneskorenie — toto je čas, ktorý uplynie medzi okamihom nerovnováhy a začiatkom zmeny riadenej hodnoty objektu. Je to kvôli prítomnosti odporu a hybnosti systému.

Existujú dva typy oneskorenia: čisté (alebo transportné) a prechodné (alebo kapacitné), ktoré pridávajú k celkovému oneskoreniu v objekte.

Čisté oneskorenie dostalo svoje meno, pretože v objektoch, kde existuje, dochádza k zmene času odozvy výstupu objektu v porovnaní s časom, keď nastane vstupná akcia, bez zmeny veľkosti a tvaru akcie. Zariadenie pracujúce pri maximálnom zaťažení alebo v ktorom sa signál šíri vysokou rýchlosťou má minimálne čisté oneskorenie.

Prechodné oneskorenie nastáva, keď tok hmoty alebo energie prekoná odpory medzi kapacitou objektu.Je určený počtom kondenzátorov a veľkosťou prenosových odporov.

Čisté a prechodné oneskorenia zhoršujú kvalitu riadenia; preto je potrebné usilovať sa o znižovanie ich hodnôt. Medzi prínosné opatrenia patrí umiestnenie meracích a regulačných zariadení v tesnej blízkosti objektu, použitie prvkov citlivých na nízku zotrvačnosť, štrukturálna racionalizácia samotného objektu atď.

Výsledky analýzy najdôležitejších charakteristík a vlastností objektov pre automatizáciu, ako aj metódy ich výskumu umožňujú formulovať množstvo požiadaviek a podmienok, ktorých splnenie zaručuje možnosť úspešnej automatizácie. Hlavné sú nasledujúce:

• matematický popis objektových vzťahov, prezentovaný vo forme statických charakteristík; pre zložité objekty, ktoré sa nedajú opísať matematicky — použitie matematických a štatistických, tabuľkových, priestorových a iných metód na štúdium vzťahov objektu na základe zavedenia určitých predpokladov;

• konštrukcia dynamických charakteristík objektu vo forme diferenciálnych rovníc alebo grafov na štúdium prechodných procesov v objekte, berúc do úvahy všetky hlavné vlastnosti objektu (kapacita, oneskorenie, samonivelácia);

• použitie v objekte takých technických prostriedkov, ktoré by zabezpečili uvoľnenie informácie o zmene všetkých záujmových parametrov objektu vo forme jednotných signálov meraných snímačmi;

• použitie akčných členov s riadenými pohonmi na ovládanie objektu;

• stanovenie spoľahlivo známych hraníc zmien vonkajších porúch objektu.

Medzi podriadené požiadavky patria:

• určenie okrajových podmienok pre automatizáciu v súlade s riadiacimi úlohami;

• stanovenie obmedzení pre prichádzajúce množstvá a kontrolné akcie;

• výpočet kritérií pre optimalitu (efektívnosť).

Príkladom objektu automatizácie je zariadenie na prípravu formovacích pieskov v zlievarni

Proces výroby formovacích pieskov pozostáva z dávkovania počiatočných zložiek, ich privádzania do miešačky, miešania hotovej zmesi a jej privádzania do formovacích liniek, spracovania a regenerácie použitej zmesi.

Východiskové suroviny najbežnejších pieskovo-ílových zmesí v zlievarenskej výrobe: odpadová zmes, čerstvý piesok (plnivo), hlina alebo bentonit (prísada spojiva), mleté ​​uhlie alebo uhlíkaté materiály (nelepivá prísada), žiaruvzdorné a špeciálne prísady (škrob , melasa) a tiež voda.

Vstupnými parametrami procesu miešania sú náklady na špecifikované formovacie hmoty: použitá zmes, čerstvý piesok, íl alebo bentonit, mleté ​​uhlie, škrob alebo iné prísady, voda.

Východiskovými parametrami sú požadované mechanické a technologické vlastnosti formovacej zmesi: pevnosť za sucha a za mokra, priepustnosť plynov, zhutnenie, tvárnosť, tekutosť, objemová hmotnosť a pod., ktoré sú kontrolované laboratórnym rozborom.

Okrem toho medzi výstupné parametre patrí aj zloženie zmesi: obsah aktívnych a účinných spojív, obsah aktívneho uhlia, vlhkosť alebo stupeň zmáčania spojiva, obsah jemných častíc - vlhkosť absorbujúcich jemných častíc a granulometrické zloženie zmesi alebo modul jemnosti.

Predmetom riadenia procesu je teda zloženie zmesi. Poskytnutím experimentálne stanoveného optimálneho zloženia zložiek hotovej zmesi je možné dosiahnuť stabilizáciu na danej úrovni mechanických a technologických vlastností zmesi.

Poruchy, ktorým je vystavený systém prípravy zmesi, značne komplikujú úlohu stabilizácie kvality zmesi. Príčinou poruchy je prítomnosť recirkulačného toku — použitie odpadovej zmesi. Hlavným pohoršením v systéme prípravy zmesi sú procesy nalievania. Vplyvom tekutého kovu dochádza v časti zmesi v tesnej blízkosti odliatku a zahriatej na vysoké teploty k hlbokým zmenám v zložení aktívneho spojiva, uhlia a škrobu a ich prechodu na neaktívnu zložku.

Príprava zmesi pozostáva z dvoch na seba nadväzujúcich procesov: dávkovanie alebo miešanie zmesi, ktoré zabezpečuje získanie potrebného zloženia zložky a miešanie, ktoré zaisťuje získanie homogénnej zmesi a dodáva jej potrebné technologické vlastnosti.

V modernom technologickom procese prípravy formovacích zmesí sa používajú kontinuálne spôsoby dávkovania surovín (formovacích) materiálov, ktorých úlohou je produkovať kontinuálny tok stáleho množstva materiálu alebo jeho jednotlivých zložiek s odchýlkami prietoku od nie viac, ako je prípustné.

Automatizáciu procesu miešania ako riadiaceho objektu možno vykonať nasledujúcim spôsobom:

• racionálna konštrukcia systémov na prípravu zmesi, ktorá umožňuje vylúčiť alebo znížiť vplyv porúch na zloženie zmesi;

• používanie metód váženia dávkovania;

• vytvorenie prepojených riadiacich systémov pre viaczložkové dávkovanie, berúc do úvahy dynamiku procesu (zotrvačnosť a oneskorenie mixéra), pričom hlavnou zložkou by mala byť vyčerpaná zmes, ktorá má výrazné výkyvy v prietoku a zložení;

• automatická kontrola a regulácia kvality zmesi počas jej prípravy;

• vytváranie automatických zariadení na komplexnú kontrolu zloženia a vlastností zmesi so spracovaním výsledkov kontroly na počítači;

• včasná zmena receptúry zmesi pri zmene pomeru zmes / kov vo forme a času chladenia odliatku pred úderom.