3. Основные элементы, функциональные блоки и функциональные структуры сау

Функциональная схема (функциональная структура) САУ отражает признаки ее функционально-структурной организации и определяет взаимосвязь, соподчиненность ее функциональных элементов и блоков.

Основные элементы САУ по функциональным признакам можно объединить в несколько групп:

1) задающие элементы, позволяющие установить заданное значение выходной переменной ОУ (источники эталонного напряжения или тока, потенциометры, сельсины, кодовые задатчики и др.);

2) чувствительные элементы, обеспечивающие измерение переменных ОУ (датчики технологических координат и параметров ОУ);

3) усилительные элементы, служащие для усиления сигналов чувствительных элементов (полупроводниковые усилители, магнитные и электромашинные усилители, масштабирующие операционные усилители и др.);

4) преобразовательные элементы, обеспечивающие преобразование входного сигнала одного вида в другой, и отличающиеся параметрами (уровнем, частотным спектром, способом кодирования и др.); силовые преобразовательные элементы могут характеризоваться также различной физической природой преобразуемых сигналов (электрической энергии переменного или постоянного тока в механическую, термическую, химическую энергию и т. п.).

5) исполнительные элементы, предназначенные для создания управляющих воздействий на ОУ (электромагнитные приводы, электрические двигатели, гидроприводы, пневмоприводы и др.);

6) корректирующие элементы, обеспечивающие изменение статических и динамических свойств САУ (фильтрующие элементы, дифференцирующие и интегрирующие звенья в прямом или обратном канале регулирования, параметрические регуляторы).

Функциональные блоки – совокупности функциональных элементов САУ, обеспечивающих требуемые функции контроля и управления.

Различают следующие функциональные блоки:

- блоки памяти (от уставок реле и напряжений до устройств хранения программ и данных, записанных на магнитных и электронных носителях информации);

- блоки текущей информации (некоторая совокупность датчиков координат состояния объекта управления, датчиков технологических координат, устройств преобразования, кодирования и передачи первичной информации);

- блоки управления, формирующие сигналы оптимального управления

на основе преобразования исходной (заданной) и текущей информации;

- блоки связи ЭВМ с объектом управления (модули ввода/вывода информации) и иными периферийными устройствами, в частности сетевые аппаратные средства.

В зависимости от соподчиненности подсистем контроля и управления различают следующие функциональные структуры САУ и АСУ ТП:

- локальные (одноуровневые) и иерархические (многоуровневые);

- централизованные и децентрализованные (распределенные);

- узловые АСУ (АСУ ТПУ);

- комплексные АСУ (АСУ ТПК);

- АСУ предприятием и отрасли промышленности (АСУ П и АСУ ОП).

Наиболее простой структурной организацией САУ обладают одноуровневые децентрализованные системы контроля и управления. В таких системах каждый производственный участок, технологическая установка снабжаются индивидуальным пунктом управления (ПУ), который оснащается индикаторными и регистрирующими приборами (автоматический контроль и индикация), а также регуляторами технологических координат и параметров (автоматическое управление). На ПУ размещается коммутационная аппаратура дистанционного управления оборудованием, элементы защиты, сигнализации и т. п. Такие ПУ размещают, как правило, в непосредственной близости от объекта управления, что позволяет сократить длину линий связи. ПУ обслуживаются одним оператором (постоянным или работающим в режиме обходчика). Такого рода децентрализованные САУ называют локальными.

Дополняя и, во многом, заменяя человека-оператора, любая система автоматизированного управления копирует его функции. Обобщенная структура локальной автоматизированной (человеко-машинной) САУ приведена на рис. 3.1.

Для выполнения заданных операций оператор должен получить ряд сведений, которые принято называть внешней информацией. Эта неизменная информация хранится в памяти оператора и включает основные характеристики объекта управления (технологического процесса), порядок выполнения операций управления в нормальных и аварийных (нештатных) режимах. За изменением координат ОУ (параметров технологического процесса) оператор следит с помощью органов-рецепторов, из которых наибольшую нагрузку несет зрение. Человеку приходится наблюдать за показаниями индикаторов состояния ОУ, а также реагировать на звуковые (световые) сигналы при фиксации системой предельно-допустимых уровней ряда координат САУ. Далее оператор сопоставляет исходную и текущую информацию и принимает решение (функция центральной нервной системы), реализуя с помощью эффекторов (пальцев, рук, ног, голоса) команды управления.

Р

ис. 3.1 Функциональная структура локальной САУ

Аналогичные функции (информационную и управляющую) выполняют технические средства (функциональные элементы и блоки) САУ. Сбор, переработку, хранение текущей информации, а также выработку управляющей информации осуществляет процессор.

Сложность элементов внутренней технической структуры САУ находится в тесной связи с характером и степенью сложности объекта управления (технологического процесса).

Примерами локальных САУ применительно к производству бронированных кабелей являются подсистемы размотки кабелей с резиновой изоляцией с трех кабельных барабанов, намотки брони, укладки трехжильного бронированного кабеля на приемный барабан и др. Такие САУ относятся, как правило, к классу электромеханических систем управления.

Необходимо отметить, что электромеханические САУ, обладая массой преимуществ в сравнении с гидромеханическими и пневмомеханическими системами, нашли наибольшее применение в современных системах автоматизации. Более того, свыше 60% потребляемой промышленными предприятиями электроэнергии приходится на силовые электромеханические приводы (электроприводы) производственных установок. Именно это обстоятельство явилось доминирующим при выборе объектов математического описания, примеров синтеза и анализа технических систем управления, приводимых в следующих главах настоящей работы.

Обобщенная функциональная схема электромеханической САУ приведена на рис. 3.2.

С АУ содержит две основные подсистемы: объект управления (ОУ) и устройство управления (УУ).

Рис. 3.2 Обобщенная функциональная схема

электромеханической САУ

На схеме используются следующие обозначения:

УЗ – устройство задания. Формирует вектор задающих воздействий X_З изменения выходных координат ОУ.

УР – устройство регулирования или собственно устройство управления, состоящее из регуляторов, корректирующих звеньев, фильтров, преобразователей координат и т. п. Формирует вектор управляющих воздействий U_У, обеспечивая оптимальные динамические и статические характеристики системы в соответствие с заданным критерием качества управления.

СПЭ – силовые преобразователи энергии (электромашинные, тиристорные, транзисторные и т. п.). Преобразуют электрическую энергию питающей сети в энергию управления электродвигателями, формируя вектор выходных сигналов E_п (регулируемые напряжения или токи двигателей).

ЭД – электродвигатели постоянного или переменного тока. Обеспечивают преобразование подводимой электрической энергии в механическую.

X – вектор координат состояния (переменных) электродвигателей (напряжения, токи, скорости вращения валов и др.)

ПМ – передаточные механизмы. Передают энергию вращения двигателей в энергию вращения или поступательного движения исполнительных механизмов (рабочих органов). X - вектор выходных координат передаточных механизмов электромеханической САУ (линейные или угловые скорости или положения).

РО – рабочие органы. Выходом САУ является вектор Y выходных технологических координат или координат рабочих органов (скорости и положения РО, давление газа или жидкости в магистрали, расход газа или жидкости, натяжение нити или полотна, уровень нефти в резервуаре и др.).

УИ_с – устройство измерения координат состояния САУ (датчики координат состояния, включая и датчики выходных переменных). Формирует вектор X_дс сигналов обратных связей по состоянию ОУ.

УИ_в – устройство измерения возмущающих воздействий САУ (датчики координат возмущения ОУ). Формирует вектор X_дв сигналов обратных связей по возмущению системы управления.

Все возмущения, действующие на САУ, подразделяются на 3 вида:

• аддитивные – приходят из внешней среды, суммируясь с полезными сигналами (переменными) ОУ;

• мультипликативные – возникают внутри или вне системы, умножаясь на переменные ОУ (обусловлены естественными или искусственными перекрестными связями ОУ и внешней среды);

• параметрические – обусловлены временным или температурным дрейфом параметров ОУ.

При синтезе САУ, как правило, пренебрегают влиянием внешних возмущений, а при анализе учитывают лишь существенные возмущения, действующие на ОУ. Оценка влияния вариаций параметров объекта управления на показатели качества управления – предмет анализа так называемой чувствительности САУ к параметрическим возмущениям.