2.5. Загальні відомості про системи автоматичного управління
Будь-яка цілеспрямована діяльність або процес мають потребу в керуванні. Якщо керування здійснюється технічними засобами без участі людини (або іншого живого організму) — це автоматичне керування.
Системи автоматичного управління (САУ) призначені для керування технічними процесами без безпосереднього втручання або участі людини.
У складі САУ розрізняють власне об'єкт керування й керуючі пристрої. Дуже часто цей розподіл частково або повністю умовно і в основному базується на зручності аналізу системи, а не на фізичному поділі об'єкта й пристрою керування. Об'єкт і керуючий пристрій зв'язані через виконавчі механізми, за допомогою яких на об'єкт передаються керуючі впливи, і через вимірювальну апаратуру, від якої керуючі пристрої одержують сигнали про стан об'єкта. Технічно в САУ входить також апаратура і лінії зв'язку між вище зазначеними елементами, і їхнім можливим впливом на сигнали в системі не можна нехтувати.
При побудові та аналізу САУ приділяється значна увага саме інформаційним потокам та зв'язкам, а також тим перетворенням (і спотворенням) сигналів, які відбуваються в об'єкті, в керуючому пристрої, в зв'язковій апаратурі. Сукупність правил і процедур, по яких керуючий пристрій обробляє інформацію для вироблення керуючих впливів, називається алгоритмом функціонування САУ.
З погляду спрямованості інформаційних потоків можливі два основних принципи побудови САУ: з розімкнутим та із замкнутим ланцюгом впливу.
Рис. 15. Структури систем автоматики:
а — розімкнута система програмного керування;
б — розімкнута інформаційна система;
в — замкнута система (зі зворотним зв'язком);
г — розімкнута система з керуванням по збурюванню;
д — комбінована (змішана) система з керуванням по збурюванню і по зворотному зв'язку.
У САУ з розімкнутим ланцюгом впливу (скорочено — «розімкнуті САУ», рис. 15а) потік інформації спрямований тільки від керуючого пристрою до об'єкта керування, тобто вироблювані в системі керуючі впливи не залежать від стану об'єкта. Типові приклади такого керування —копіювальні верстати, пральні машини, установки для нарізки і свердління друкованих плат в електроніці, трикотажні машини — автомати, САУ виведенням балістичних ракет на навколоземні орбіту, верстати із програмним керуванням.
Крім розімкнутих САУ в промисловості широко поширені розімкнуті системи автоматичного контролю або інформаційно-вимірювальні системи (ІВС, рис. 15б). Ці системи не управляють об'єктами, але часто виконують функції автоматичного маркування, сортування або відбраковування виробів.
У САУ із замкнутим ланцюгом впливу («замкнуті САУ», рис. 15в) є сигнали зворотного зв'язку, що надходять від об'єкта керування в керуючий пристрій. Сигнали зворотного зв'язку обробляються керуючим пристроєм по певних алгоритмах відповідно до поточних і прогнозованих змін стану об'єкта керування. У результаті на виході керуючого пристрою формуються керуючі впливи на об'єкт. У системі керування утвориться замкнута петля зворотного зв'язку. Сигнали, передані між блоками й ланками САУ, часто називають фазовими координатами або просто координатами САУ.
Найважливішою перевагою САУ зі зворотним зв'язком є їх здатність компенсувати різного роду збурювання й перешкоди, що неминуче виникають у процесі роботи будь-якого об'єкта керування. У найпростішому випадку завданням замкненої САУ є підтримка деякої координати в заданих межах. У цьому випадку поточне значення стабілізуючої координати (виходу об'єкта) порівнюється з необхідним значенням, що називається «уставкой» (Вх.). Керуючий пристрій впливає на об'єкт таким чином, щоб різниця виходу і «уставки» була мінімальна (бажано нульовою). Такі системи називають системами автоматичного регулювання (САР) або просто автоматичними регуляторами. Приклад такої системи — звичайний домашній холодильник. В якому термореле спрацьовує, коли температура в холодильній камері стає вище допустимої, і увімкне двигун компресора, що діє доти, поки термореле не «виявить», що температура знизилася досить, і не відключить живлення двигуна. Якщо «уставка» не є постійної, а змінюється за заданим законом для того, щоб і вихід системи змінювався за цим законом, то така САР називається системою, що стежить (слідкуючою).
Розімкнені САУ і ІВС можна розглядати, як окремі випадки замкнутої САУ, у якій один зі зв'язків обірвано. До розімкнутих САУ відносять і системи з керуванням по збурюванню ( рис. 15г), іноді їх називають системами компенсаційного типу. У таких системах керуючий вплив виробляється, як функція діючого на систему збурювання.
Припустимо, що потрібно підтримувати вихідну координату системи на постійному рівні і відомо, який саме фактор і яким чином впливає на вихід системи. Тоді можна, вимірюючи збурювання цього фактора, задавати керуючий вплив так, щоб компенсувати ці збурювання.
Розглянемо простий приклад: здійснюється автоматичне електрозварювання металевих листів, рівномірно подаваних у зварювальний апарат. Щоб зварений шов був міцним, швидкість подачі зварювального електрода й температура зварювання повинні перебувати в певних межах. Однак товщина листів, що зварюють, може змінюватися, а тому повинні змінюватися і швидкість подачі електрода, і сила струму у зварювальному апараті. У цьому випадку цілком доцільний варіант керування полягає в тому, щоб вимірювати заздалегідь товщину аркушів і, залежно від неї, змінювати швидкість подачі електрода і величину струм. Інша можливість складається в зміні швидкості подачі аркушів залежно від їхньої товщини. В обох випадках зворотний зв'язок у системі відсутній, а керування здійснюється, як функція збурювання.
Важлива перевага систем з керуванням по збурюванню полягає в тому, що компенсація збурювання виникає одночасно із самим збурюванням. Більше того, керуючий пристрій може при необхідності заздалегідь «вжити заходів», щоб збурювання не вплинуло небажаним чином на об'єкти керування або на технологічний процес. Таке керування із прогнозом у багатьох випадках просто необхідне.
Капітан корабля вибирає курс і швидкість в залежності від того, що перебуває попереду, а не тоді, коли зіткнення з рифами стає неминучим. У цьому сенсі керування зі зворотним зв'язком істотно програє керуванню по збурюванню, тому що в системі зі зворотним зв'язком інформація в керуючий пристрій надходить «по факту», тобто коли корабель вже сідає на рифи.
Головний недолік систем керування по збурюванню це відсутність в універсальності. У таких системах немає проблеми стійкості, але гостро стоїть проблема точності. Необхідно заздалегідь знати всі можливі фактори, що обурюють, і мати точні способи їхньої компенсації, що, як правило, неможливо або занадто складно. Тому дуже часто застосовують системи комбінованого керування, що включає в себе керування по збурюванню разом з керуванням зі зворотним зв'язком (рис. 15д).
В тих випадках, коли керування процесом здійснюється за допомогою спеціальних пристроїв, але при участі людини (оператора), говорять про автоматизовані системи керування. Звичайно до складу автоматизованих систем входять САУ більш низького рівня, що управляють окремими агрегатами складного технологічного процесу.
Наприклад, до складу системи керування великою енергетичною установкою може входити безліч автоматичних регуляторів, що підтримують, скажімо, тиск і температуру водяної пари на заданих рівнях, і цілий ряд автоматичних пристроїв, що здійснюють захист агрегатів від перевантажень або призначених для керування процесами виведення цих агрегатів на робочий режим і їх зупинка. До складу такої системи зазвичай входять і пристрої, що здійснюють оптимізацію режиму роботи (екстремальні регулятори), наприклад, мінімізація витрата палива. Однак основні параметри процесу задає з пульта оператор, що спостерігає за роботою установки в цілому. До складу такої сучасної системи зазвичай входять і комп'ютери, які можуть, як безпосередньо управляти параметрами процесу, так і працювати в режимі порадника, виробляючи рекомендації для оператора, але залишаючи за ним остаточне рішення.
Всі ці системи автоматики, як правило, зв'язані між собою, утворюючи безліч контурів керування. Зокрема, пристрої, відповідальні за оптимізацію, задають рівні, на яких САР повинні стабілізувати параметри процесів. У процесі роботи об'єкта «установки» можуть також змінюватися відповідно до заданої програми або за бажанням оператора.
Таким чином, системи керування можуть мати складну ієрархічну структуру й містити в собі безліч підсистем, кожна з яких є локальної САУ. При цьому звичайно система в цілому виявляється автоматизованою - на верхньому рівні перебуває людина-оператор, у той час як окремі підсистеми виконують свої функції повністю автоматично (рис. 16).
Рис. 16. Структура автоматизованої системи управління
Фізична реалізація САУ залежить від безлічі факторів, таких, наприклад, як вартість, надійність або обмеження по габаритах або вазі. Зокрема, управління САР або екстремальним регулятором може бути частково або повністю реалізована у вигляді комп'ютерних програм, установлених на тому ж комп'ютері, що виробляє рекомендації оператору і виконує ще ряд додаткових функцій.
Об'єкт керування й керуючий пристрій далеко не завжди розташовуються в безпосередній близькості один до одного. Коли відстань між ними стає настільки великою, що потрібно застосування спеціальних засобів зв'язку для передачі керуючих впливів і інформації про стан об'єкта, то такі САУ називають системами телемеханіки і телекерування.
Навіть найсучасніша обчислювальна машина із сучасними логічними і обчислювальними можливостями не зможе управляти технологічним процесом, якщо не буде одержувати досить повні й точні дані (наприклад від датчиків) про параметри цього процесу. Можна сказати, що машина є мозок, що може вправно, управляти тілом, тільки одержуючи сигнали від очей, вух, рецепторів положення в просторі й ступені напруженості різних м'язів, температури шкіри, величезного числа нервових волокон різного призначення, розсіяних по всьому тілу.
Датчиками або чутливими елементами називають елементи, що перетворять деякий контрольований і (або) регульований параметр у величину, придатну для сприйняття або подальшої інформаційної обробки. У більшості випадків датчики перетворять не електричні параметри в різницю потенціалів або електричний струм, які в ідеалі повинні бути прямо пропорційні вимірюваному параметру.
Наприклад, термопара або термометр опору, включений у вимірювальний міст, служать для перетворення температури в електричну різницю потенціалів. Відповідно, розмірність передаточного коефіцієнта К у цих датчиків є В/град. При цьому термопара є генераторний датчик, — їй не потрібне зовнішнє джерело живлення, тоді як у термометрі опору — параметричному датчику — температура спочатку перетвориться в опір датчика, а його вихідна напруга виникає за рахунок зовнішнього джерела струму. У кожного датчика є робочий діапазон вимірюваного параметра, у межах якого результати виміру придатні для подальшого використання.
Як правило, електричний вихідний сигнал датчика напруга або струм є нестандартним, до нього додаються шуми й перешкоди від зовнішніх джерел, і не дотримується строга пропорційність між входом і виходом датчика, що призводить до зміни передаточного коефіцієнта в середині робочого діапазону. Тому для подальшого використання сигналу потрібно його нормалізувати.
Нормалізація сигналів датчиків здійснюється за допомогою нормалізуючих електронних підсилювачів, з виходів яких сигнали подаються або на спеціалізовані аналогові керуючі пристрої, або на аналого-цифрові перетворювачі (АЦП) для введення в керуючі комп'ютери або мікропроцесорні пристрої. Завдання АЦП — перевести аналоговий сигнал датчика (сигнал аналоговий, тому що він аналогічний вимірюваному параметру) у цифрову форму, зазвичай — у двійковий код. Нормалізація сигналу може бути сполучена з його лінеаризацією. У цьому випадку нормуючий підсилювач повинен мати характеристику зворотну характеристиці датчика, можливо помноженої на постійний коефіцієнт.
Інша, краща можливість полягає в програмній лінеаризації в мікропроцесорному пристрої або керуючому комп'ютері. В останньому випадку в пам'яті комп'ютера записується залежність значення вимірюваної величини від показань датчика.
В простих системах, як керуючий пристрій, може використатися аналоговий вирішувальний блок, що перетворить сигнал відповідно до прийнятого алгоритму керування САУ. Зазвичай у вигляді аналогових блоків реалізуються регулятори й керуючі пристрої слідкуючих систем. У випадку більш складних алгоритмів керування застосовуються цифрові мікропроцесорні комплекти, на основі яких будуються спеціалізовані пристрої з невеликим числом функцій. Їх застосування особливо доцільне тоді, коли керування формується з використанням логічних операцій типу умовного переходу «якщо..., то ...», логічного додавання «якщо... або..., то» і логічного множення «якщо... і..., то».
У тих випадках, коли для формування сигналів керування потрібно багато логічних операцій і (або) нестандартних операцій із двійковими кодами, надзвичайно ефективним є ПЛІС - програмувальні логічні інтегральні схеми.
При використанні більш складних алгоритмів керування на великих об'єктах використаються мікро – і міні-ЕОМ у промисловому виконанні. Нарешті, для керування цехом або виробництвом в цілому може стати у пригоді ЕОМ типу робочої станції.
Вихідні керуючі сигнали комп'ютера можуть передаватися у вигляді двійкових кодів, що задаються на мікропроцесорні пристрої або на виконавчі механізми об'єкта. В останньому випадку вони спочатку подаються на ЦАП (цифро-аналогові перетворювачі), а з виходів останніх - на підсилювачі потужності, здатні пустити в хід виконавчі механізми. Підсилювачі потужності також необхідні і на виходах аналогових керуючих пристроїв.
Програмне керування - це керування будь-яким процесом за заданим законом - програмою. У найпростішому й найпоширенішому випадку програма не залежить від результатів процесу виконання в цілому або на деякому етапі.
Це найбільше чітко виражений варіант розімкнутого керування. Сама програма готується вручну або шляхом попередньої розробки - проектування на універсальному комп'ютері. Підготовлена так програма переноситься на носій або в запам'ятовувальний пристрій керуючого комп'ютера. Традиційно для керування технологічними об'єктами програма задавалася аналоговим записом - кривими на папері, кіно - і магнітній стрічці, у вигляді профільованих шайб, кулачків і тому подібних механічних деталей - або кодовим записом - на магнітній стрічці, пробиваннями отворів на перфострічках або перфокартах. Ці способи задання програм використаються й дотепер при відсутності керуючого комп'ютера. Для керування процесом статична інформація носія «програми» перетвориться за допомогою барабанних і стрічкопротягувальних механізмів з вартовим, електричним і іншим приводами в динамічну форму - сигнал керування як функцію часу.
Сигнал керування може бути безперервним або дискретним. Найбільш уживана імпульсний числовий запис унітарним кодом (у вигляді послідовності двійкових нулів і одиниць) і імпульсний або безперервний запис фазомодульованими сигналами. Сигнал керування перетвориться в задані програмою рухи за допомогою відтворюючих пристроїв розімкненого або замкненого типу.
У сучасних системах програмного керування програма цілком перебуває в пам'яті керуючого комп'ютера. Залежно від складності системи і самої програми це може бути комп'ютер універсального типу або мікропроцесорна спеціалізована система. При необхідності частої зміни програм вони зберігаються на компакт-дисках, дискетах або інших подібних носіях. Як відтворюючі пристрої систем програмного керування розімкненого типу застосовуються імпульсні крокові електродвигуни й інші електромагнітні пристрої. У системах зі зворотним зв'язком, інформація сигналу керування за допомогою датчиків порівнюється з інформацією про поточне значення керованої величини.
Типова інформаційна структура системи програмного керування показана на рис. 17.
Рис. 17. Структурна система програмного управління
При програмі, що не залежить від результатів її виконання, зовнішній контур програмного керування, що включає носій програми, завжди залишається розімкнутим. Кодова інформація в процесі перетворення в сигнал керування попередньо дешифрується. При цьому в ряді випадків, наприклад, при програмному керуванні металорізальними верстатами, виникає необхідність обчислення великої кількості проміжних крапок по опорних крапках, заданими програмою. Для цього використовуються спеціалізовані обчислювальні пристрої або програми-інтерполятори. Найбільший розвиток програмне керування одержало в машинобудуванні, фрезерних, токарських і інших верстатів, а також в автоматичних лініях (верстати і лінії ЧПУ — із числовим програмним управлінням) і в електронній промисловості при виготовленні мікросхем і інших компонентів, друкованих плат і зборці готових вузлів.
Системи ЧПУ діляться на два види:
1). Системи координатного керування для стартостопного переміщення робочих органів механізму з одного положення в інше, із зупинкою в кожній позиції для виконання технологічних операцій.
2). Контурні системи з пересуванням інструмента і (або) виробу по плоских безперервних і просторових траєкторіях, наприклад, з метою обробки виробів складної форми.
Виконавчі пристрої систем ЧПУ верстатами є різновидом систем, що стежать, і відрізняються досить високими вимогами до динамічної й статичної точності. Програми для верстатів розробляються за допомогою спеціалізованих пакетів прикладних програм на універсальних комп'ютерах - робочих станціях з розвиненою комп'ютерною графікою. У деяких випадках використовуються запис зразкового циклу обробки виробу при ручному керуванні верстатом. У процесорах ЧПУ, крім інтерполяції, можуть бути передбачені й інші стандартні обчислення - виправлення на радіус інструмента, обчислення оптимальних технологічних швидкостей і так далі. Ці стандартні програмні блоки разом із слідкуючими системами для керування приводами є основною частиною систем ЧПУ.
У машинобудуванні системи ЧПУ мають особливе значення при автоматизації виробництв із індивідуальним і дрібносерійним випуском виробів або із частими змінами їх конструктивних і технологічних параметрів (гнучкі виробництва). При цьому заощаджується час на підготовчі й налагоджувальні операції, збільшується точність і однорідність виготовлення виробів.
Основні проблеми при створенні і експлуатації систем програмного керування і ЧПУ лежать поза сферою автоматичного керування, як такою. Головні труднощі виникають у розробці і виготовленні прецизійних і виконавчих мало інерційних механізмів і датчиків високої точності. Тому можливості створення ЧПУ істотно зросли із впровадженням лазерних технологій.
Дуже подібна ситуація виникає при керуванні нестаціонарними об'єктами, коли технологічний або інший керований процес по суті полягає в переході об'єкта продовж кінцевого відрізка часу з деякого початкового стану в задане кінцеве при заздалегідь непередбачених повністю умовах. У цьому випадку програма керування об'єктом повинна створюватися або змінюватися в процесі керування залежно від поточного стану об'єкта для того, щоб досягти мети керування в умовах, коли ситуація може мінятися заздалегідь непередбаченим чином.
Проблеми створення динамічної моделі керованого об'єкта або процесу тут починають відігравати вирішальну роль. Прикладами такого роду об'єктів можуть служити абсолютна більшість діючих у цей час металургійних агрегатів по виплавці металів, де метою перехідного процесу в агрегаті є одержання кінцевого продукту із заданими властивостями.