Курстың пәні мен мақсаты. Автоматика және автоматизация туралы түсінік

 

1.1 Понятие об автоматике и  автоматизации.

 

Теоретическая автоматика в своем  развитии опиралась на практику изобретений и внедрения в промышленность автоматических управляющих устройств (АУУ). В области технических средств комплексной автоматизации первоочередное значение имеет развитие новых элементов АУУ по следующим направлениям: увеличение быстродействия и надежности; уменьшение массы и габаритов; уменьшение, потребления энергии и стоимости; экологическая чистота и дешевизна технической эксплуатации.

Видно, что автоматика и автоматизация  процессов тесно увязаны между  собой и в совокупности представляют благодарную область познания: и  использования в практической деятельности человека.

Структура курса, который для краткости назовем  основами автоматизации АТ содержит измерение и автоматический контроль параметров технологических процессов, основы автоматического управления и регулирования, логические управляющие устройства, а также системы автоматического контроля и управления в подъемно-транспортных, строительных и дорожных машинах.

Специфика автоматизации транспортной техники определяется основными требованиями технологического процесса нормального функционирования транспортной техники и их отдельных узлов и агрегатов. Частным случаем систем автоматического управления являются системы автоматического регулирования, которые в большом количестве используются в транспортной техники: регуляторы давления воздуха в ресивере дорожных компрессоров, подачи топлива к двигателям внутреннего сгорания и дизелям; регуляторы электрического напряжения в зарядных генераторах постоянного тока, температуры, уровня, давления массы, длины, теплопроводности и электропроводности систем и рабочих тел транспортной техники.

 

 

1.2 Классификация САУ

 

Теория автоматического управления изучает методы математического  моделирования, анализа и синтеза  систем автоматического управления (САУ). Под САУ понимается совокупность объекта управления (ОУ) и управляющего устройства (УУ).

Под объектом управления понимается некий механизм, агрегат, устройство, некий технологический, энергетический, экономический, социальный процесс, желаемое поведение или протекание которого должно быть обеспечено.

Поведение объекта управления, результат  его функционирования определяется некоторыми показателями. Чаще всего  ими являются значения физических (или  другой природы) величин, называемых выходными  величинами.

В реальных условиях на каждый объект управления многочисленные воздействия оказывает окружающая (внешняя) среда. Из всего многообразия воздействий в поле зрения оставляют лишь те, которые оказывают наибольшее влияние на выходные величины, и называют их входными воздействиями.

Входные воздействия с точки зрения их влияния на ОУ разделяются на две принципиально отличные группы. Некоторые из них обеспечивают желаемое изменение поведения объекта, достижение поставленных целей. Такие входные воздействия называются управляющими, при их отсутствии задача управления вообще не имеет места. Другие входные воздействия мешают достижению цели управления и называются возмущающими или помехами.

Классификация САУ:

1. По принципу управления (регулирования):

• • разомкнутые;
• • замкнутые;
• • комбинированные.

2. По цели управления:

• • системы стабилизации;
• • системы программного управления;
• • следящие системы;
• • адаптивные (самонастраивающиеся) системы.

3. По количеству регулируемых величин:

• • одномерные;
• • многомерные.

4. По характеру сигналов в регуляторе (устройстве управления):

• • непрерывные (аналоговые);
• • с гармоническим модулированным сигналом;
• • дискретные (релейные, импульсные, цифровые).

5. По характеру параметров:

• • стационарные;
• • нестационарные;
• • с распределенными параметрами.

6. По идеализации математического описания:

• • линейные;
• • нелинейные.

 

 

1.3 Основные определения и общие  свойства САУ. Терминология

 

1. Объект управления: Объект, для достижения желаемых результатов функционирования которого необходимы и допустимы специальные органические воздействия. Объект управления, подвергаемый управляющим воздействиям, называется управляемым объектом.

2. Цель управления: Значения, соотношения значений координат процессов в объекте управления или их изменения во времени, при которых обеспечивается достижение желаемых результатов функционирования объекта.

3. Управляющее воздействие: Воздействие на объект управления, предназначенное для достижения цели управления.

4. Управление: Процесс выработки и осуществления управляющих воздействий. Выработка управляющих воздействий включает сбор, передачу и обработку  необходимой информации, принятие решений, обязательно включающее определение управляющих воздействий. Осуществление управляющих воздействий включает передачу управляющих воздействий и при необходимости преобразование их в форму, непосредственно воспринимаемую объектом управления.

5. Управляющий объект: Объект, предназначенный для осуществления управления.

6. Система управления: Система, состоящая из управляющего объекта и объекта управления.

7. Функция управляющего объекта: Совокупность действий управляющего объекта, относительно однородная по некоторому признаку, направленная на достижение частной цели, подчиненной общей цели управления. Примеры: функция сбора, передачи и преобразования исходной информации, функция принятия решений, функция осуществления управляющих воздействий; функция документирования и т.д.

8. Структура системы управления: Совокупность и характер связей и отношений между элементами (подсистемами) системы управления.

9. Управляющая координата: Координата управляющего воздействия.

10. Управляемая координата: Координата объекта управления, значения которой зависят от управляющих воздействий и показывают степень достижения цели управления.

11. Возмущение: Воздействие извне на любой элемент (подсистему) системы управления, включая объект управления, затрудняющее, как правило, достижение цели управления.

12. Задающее воздействие: Воздействие на управляющий объект, предназначенное для изменения цели управления.

13. Обратная связь: Зависимость текущих воздействий на объект от его состояния, обусловленного предшествующими воздействиями на этот же объект. Обратная связь может быть естественной и искусственно организуемой. Различают отрицательную и положительную обратные связи, действующие в первом случае в сторону уменьшения, а во втором  в сторону увеличения отклонений текущих значений координат объекта от их предшествующих значений.

14. Закон управления: математическая форма преобразования задающих воздействий, возмущений, воздействий обратных связей, определяющих управляющие воздействия.

15. Алгоритм управления: алгоритм, определяющий управление в реальном времени.

16. Качество управления: совокупность характеристик управления, принятая для оценки полезности управления.

17. Показатель качества управления: количественная оценка качества управления.

 

 

1.4 Роль ученых в создании  теоретических основ ТАУ. 

 

На основе первого принципа действия АУУ в середине XIX в, были внедрены копировальные станки. Второй принцип - принцип замкнутых АУУ - положен в основу изобретений И.И. Ползунова /1765 г. - автоматический регулятор питания парового котла/ и Дж.Уатта /1784 г. - автоматический регулятор скорости паровой машины.

Развитие техники систем автоматического  управления к регулирования /САУР/ шло по сложному пути: практика - теория - практика - 1830 г. - регулятор нагрузки /управление по возмущеию/; 1832 г. электрическое реле П.Л. Шиллинга; 1840 г. - регулятор производных; 1870 г. - усилитель-сервомотор - электрические регуляторы В.Н. Чиколева и П.Н. Яблочкова; 1870-1880 гг. - автоматическая корабельная система стрельбы А.П.Давыдова; 1872 г.- система автоматической блокировки на железнодорожном транспорте В.Робинзона; 1890 г. - автоматическая телефонная станция /Россия/; 1914 г. - автоматическая тяговая подстанция /США./; 1914 г. - автоматическая ГЭС; 1920 г. - автоматизированный завод автомобильных рам на базе - электрической автоматизации; 1939 г. - автоматическая поточная линия; появление телемеханики, централизация управления - диспетчерское управление на железнодорожном транспорте и в энергосистемах.

Автоматика как самостоятельная  область техники получила признание  на 2-й Международной энергетической конференции в 1930 г. 30-е гг. XX в. - начало развития радиоэлектроники; 1944 г. - электронные вычислительные машины – автоматизация в области вычислений и переход к более сложным автоматическим системам; с ЭВМ в контуре управления, а в промышленности - к комплексной автоматизации на базе микропроцессорной техники и робототехнических комплексов.

Развитие теории автоматики обязано  таким людям, как Д.К.Максвелл /1868 г. - основы теории линейных AС/; И.А. Вышнеградский /1872-1878 гг. - основы теории и речение задач автоматического регулирования паровых машин/, А. Леото /1880-1890 гг. - нелинейные задачи автоматического регулирования/; А. Гурвиц /1893 г. - устойчивость САР/; А.Стодола /1899 г. - теория инерционных регуляторов/; А.М. Ляпунов /1892 г. - устойчивость движения и общие методы исследования устойчивости/; Р. Найквист /1932 г./ и А.В.Михайлов /1938 г./ - частотные методы анализа и синтеза автоматических регулирующих систем; А.А. Андронов и его ученики - методы фазового пространства и точечного преобразования поверхностей, теория импульсных систем; Д.Кутти и М.Цимбалист - теория релейных АУУ.

С развитием средств автоматики появляются и новые теории: обобщенная теория автоматического регулирования и управления, теория оптимальной стратегии и оптимальных АС, теория, систем с автоматическим приспособлением /адаптивных АС/ и теория сложных АС. Аналитические исследования сочетаются с экспериментальными, проводимыми на моделях, универсальных ЭВМ, а также на реальных АС комплексной автоматизации.

 

 

1.5 Специфика автоматизации транспорта  и транспортной техники, применение  математического аппарата.

 

Современные программируемые дискретные управляющие устройства построены на базе микропроцессорной техники. Микропроцессор - это сверхбольшая интегральная схема, содержащая в одном кристалле (5x5x0,2 мм) от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч транзисторов и предназначенная для управления вводом и выводом информации, математической обработки ее, координации действий элементов системы, выработки и передачи управляющих воздействий во внешние цепи.

Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему — тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.

Первый микропроцессор был выпущен  в 1971 г фирмой Intel (США) - МП4004. В настоящее  время выпускается несколько сотен различных микропроцессоров, но наиболее популярными и распространенными являются микропроцессоры фирмы Intel и AMD.

Достоинства микропроцессорных устройств - универсальность, большая информационная емкость; надежность и быстродействие - обуславливают развитие работ по их применению в системах электроснабжения, электропотребления, диспетчерского управления и контроля технологическими процессами, строительными машинами и оборудованием. Микропроцессоры являются неотъемлемой частью промышленных роботов, робототехнических комплексов и автоматических линий и производств строительной индустрии.

В системах электрификации и автоматизации  транспортных процессов МП позволяют решать задачи сбора и хранения информации о работе оборудования, технологических участков, складских помещений и транспортных линий; совершенствования устройств электроконтроля и локальной автоматики производственных процессов предприятий по ремонту и обслуживанию транспортной техники; автоматизации регистрации показателей качества конечной продукции и энергии, её расхода и расхода материалов, вычисления ресурсов работы и определения сроков планово-предупредительных ремонтов оборудования, ведения отчетности и калькуляции производства; оптимизации режимов работы основного оборудования и систем.

Производительность микропроцессоров зависит от тактовой частоты ГТИ  и может составлять от 4×10⁵ до 1×10⁶ операций/с и более. По числу больших интегральных схем (БИС) в микропроцессорном комплекте различают микропроцессоры однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные.

По назначению различают универсальные  и специализированные микропроцессоры. Универсальные микропроцессоры могут быть применены для решения широкого круга разнообразных задач. При этом их эффективная производительность слабо зависит от проблемной специфики решаемых задач. Специализация МП, т.е. его проблемная ориентация на ускоренное выполнение определенных функций позволяет резко увеличить эффективную производительность при решении только определенных задач.

По характеру временной организации работы микропроцессоры делят на синхронные и асинхронные. Асинхронные микропроцессоры позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции. Для более эффективного использования каждого устройства микропроцессорной системы в состав асинхронно работающих устройств вводят электронные цепи, обеспечивающие автономное функционирование устройств. Закончив работу над какой-либо операцией, устройство вырабатывает сигнал запроса, означающий его готовность к выполнению следующей операции. При этом роль естественного распределителя работ принимает на себя память, которая в соответствии с заранее установленным приоритетом выполняет запросы остальных устройств по обеспечению их командной информацией и данными.