2.4.3 Разработка систем управления

Система управления проектируется и создастся для конкретного объекта, поэтому перед тем, кок сформулировать требования к уст­ройству управления, необходимо глубоко и всесторонне изучить объ­ект управления и описать его в терминах, удобных для решения задач управления. Примерами объектов управления могут служить механизм смены инструмента, привод главного двигателя станка, один или несколько манипуляторов, технологическая линия и т.п. Если объект управления сложен и затруднительно общее описание его функционирования, целесообразно разделение его на более простые блоки, объединенные функциональными связями. Сведения, достаточные для разработки системы управления, должны определять:

• из каких блоков состоит объект о точки зрения управления;

• какие функциональные и управляющие связи существуют между ними, каковы внешние связи объекта и к каким блокам они прилагаются;

• какие технологические режимы возможны при функционировании объекта;

• при каких условиях происходит смена технологических, режимов;

• какими параметрами описывается тот или иной режим;

• каким образом производится измерение данных об объекте уп­равления;

• какие исполнительные механизмы могут быть использованы;

• какими временными диаграммами описываются последовательности управляющих сигналов, обеспечивающих тот или иной режим работы объекта.

В процессе работы управляемый объект и система управления представляют собой единую систему, и для обеспечения ее нормаль­ного функционирования в эксплуатационных условиях система управ­ления должна отвечать ряду дополнительных требований. Если систе­ма управления проектируется отдельно и независимо от объекта уп­равления, то все требования к ней оформляются в виде технического задания.

При выполнении дипломного проекта нет необходимости формули­ровать вое разделы технического задания, но основные требования, без выполнения которых работа системы вообще невозмож­на и которые вытекают из условий функционирования объекта управ­ления, следует перечислить. К ним можно отнести условия эксплуа­тации системы:

• кинематические,

• механические,

• наличие помех,

• качество питания системы.

Перечисленные требования в зависимости от целей и задач разработки могут быть дополнены и другими, связан­ными:

• с мерами по технике безопасности;

• с потребляемой мощностью;

• со степенью риска при отказе системы управления;

• с условием ремонта и обслуживания;

• с характером работы системы и др.

При формализации задания систему управления удобно представить в виде некоторого устройства ("черного, ящика") пока еще неизвестной структуры, у которого выделены входы и выходы. Входы представляют собой сигналы с датчиков, установленных на объекте управления, а выходы – управляющие воздействия на исполнительные механизмы. Задачей данного этапа является получение полной информации о числе входов и выходов и оценка характера преобразования множества наборов на входе во множество выход­ных наборов.

Выделив входы и выходы системы управления, необходимо задать и наглядно представить алгоритм функционирования системы, выражаю­щийся в последовательном преобразовании входных данных с целью вы­работки управления и индикации на выходе. Формальная запись алго­ритма управления может быть осуществлена с помощью:

• автоматного описания (автоматного графа, автоматной табли­цы);

• блок-схемы алгоритма;

• граф-схемы алгоритма;

• логической схемы алгоритма;

• циклограммы.

Такие способы задания алгоритмов применяются в тех случаях, когда они реализуются на специальных технических средствах, без использования компьютера.

В некоторых случаях можно обойтись и без формального языка для описания функционирования системы и проектировать систему лишь на основе технического задания, но таких ситуаций следует избегать.

При любом способе формулирования задания и описания алгоритмов функционирования должны быть четко перечислены входы и выходы системы управления и описан закон преобразования входных величин в выходные.

Анализ общего алгоритма управления позволяет определить внеш­ний и внутренний язык системы управления, подсчитать количество и характер операций, необходимых для реализации алгоритма управления. Если общий алгоритм управления достаточно громоздкий, его можно разделить на несколько алгоритмов;

• алгоритм пуска и останова объекта управления;

• алгоритм цифрового регулирования;

• алгоритм контроля отдельных устройств системы;

• алгоритм предупреждения и ликвидации аварии.

Перечисленные алгоритмы могут быть, в свою очередь, представлены в виде блоков.

Если сложность алгоритма и объем информационных потоков таковы, что применение компьютера не целесообразно, то следующим этапом проектирования является разработка логической схемы, реализующей алгоритм управления.

Разработка логической схемы является ответственным этапом, на ко­тором студент-дипломник должен обнаружить знание методов синтеза схем автоматики и умение творчески применять их на практике. Логическая схема - это абстрактная модель, отражающая функционирование системы, описанной в терминах булевой алгебры и содержащая логические элементы и другие технические средства безотносительно к их конкретному исполнению. Логическая схема должна обеспечить функционирование всей системы и при этом обладать наименьшей сложностью. Упрощение логической схемы и минимизация числа элементов, ее реализующих, достигается различными методами. Применение тех или иных методов синтеза логических схем зависит от класса за­дач, решаемых в процессе реализации алгоритма управления.

Если выходные сигналы управления зависят только от значений сигналов на выходе в данный момент, то устройство управления мо­жет быть реализовано в виде комбинационной схемы.

В этом случае последовательность выполнения работ следующая:

• задать логическую функцию (аналитически или таблично);

• представить ее в ДСНФ или КСНФ;

• минимизировать логическую функцию;

• преобразовать полученную логическую схему в принципиальную.

В случае, когда алгоритм управления реализуется с помощью устройств, имеющих в своем составе элементы памяти, для синтеза таких устройств можно использовать методы дискретных автоматов.

Принципиальная схема разрабатывается на основе логической, но с учетом особенностей применяемой элементной базы. В пояснительной записке должно быть приведено обоснование выбора элементов и их основные характеристики (быстродействие, нагрузочная способность, коэффициент объединения по входу, помехоустойчивость).

В принципиальной схеме следует учесть также требования к устройству, которые не могут быть выражены языком формальной логики. Это могут быть требования повышенной надежности некоторых цепей, необходимость стыковки с другими устройствами, введение цепей контроля и индикации.

При разработке конструкции системы управления приходится учи­тывать элементы, отсутствующие в описании алгоритма функционирова­ния. На этом этапе принципиаль­ная схема всей системы управления должна быть разделена на части, которые воплотятся в реальные блоки. При решении этой задачи тре­буется учесть множество обстоятельств. Например, если управляемый объект территориально удален от системы уп­равления, передача информации в этом случае может быть организована или по уплот­ненному телемеханическому каналу или с использованием технологий компьютерных сетей. Соответственно, по-разному решается вопрос размещения преобразователей ин­формации, каналов связи, их пропускной способности, помехозащищенности; диагностике и ремонта, условий эксплуатации и работы обслуживающего персонала.

Перечень вопросов, подлежащих проработке по конструктивному исполнению системы, согласовывается с руководителем проекта.

Если алгоритм управления достаточно сложен, а объем обраба­тываемой информации таков, что становится необходимым применение компьютера, то отпадает необходимость в проектировании технического сред­ства, но возникает ряд других вопросов, типичных для АСУ ТП. В частности:

• выбор типа компьютера или оценка его возможностей, если тип задан;

• определение моделей функционирования объекта;

• разработка алгоритма функционирования и составление рабочих программ;

• обеспечение управляющего режима работы компьютера в реальном масштабе времени;

• сопряжение компьютера с объектом управления;

• обеспечение надежности и безопасности функционирования;

• взаимодействие с обслуживающим персоналом и т.п.