Obiekty automatyki i ich charakterystyki

Obiekty automatyki (obiekty kontrolne) — są to odrębne instalacje, maszyny do obróbki skrawaniem metali, maszyny, agregaty, urządzenia, zespoły maszyn i urządzeń, które muszą być kontrolowane. Są bardzo zróżnicowane pod względem celu, struktury i zasady działania.

Przedmiot automatyki jest głównym składnikiem systemu automatycznego, który określa charakter systemu, dlatego szczególną uwagę zwraca się na jego badanie. O złożoności obiektu decyduje głównie stopień jego poznania oraz różnorodność funkcji, jakie pełni. Wyniki badań obiektu muszą być przedstawione w postaci jasnych zaleceń dotyczących możliwości pełnej lub częściowej automatyzacji obiektu lub braku warunków niezbędnych do automatyzacji.

Charakterystyka obiektów automatyki

Projekt systemu automatycznego sterowania musi być poprzedzony badaniem terenu w celu ustalenia relacji z obiektem. Ogólnie rzecz biorąc, relacje te można przedstawić jako cztery zestawy zmiennych.

Kontrolowane zaburzenie, których zbiór tworzy L-wymiarowy wektor H = h1, h2, h3, ..., hL... Zawierają one mierzalne zmienne zależne od środowiska zewnętrznego, takie jak wskaźniki jakości surowców w odlewni, ilość pary zużywanej w kotle parowym, przepływu wody w przepływowym podgrzewaczu wody, temperatury powietrza w szklarni, która zmienia się w zależności od zewnętrznych warunków środowiskowych i czynników wpływających na przebieg procesu. W przypadku zakłóceń kontrolowanych ograniczenia dotyczą warunków technologicznych.

Wskaźnik procesu technologicznego, który ma być sterowany, nazywany jest wielkością sterowaną (współrzędną), a wielkość fizyczna, za pomocą której sterowany jest wskaźnik procesu technologicznego, nazywa się działaniem sterującym (wielkość wejściowa, współrzędna).

Działania kontrolne, których całość tworzy n-wymiarowy wektor X = x1, x2, x3, ..., xn... Są niezależne od środowiska zewnętrznego i mają największy wpływ na proces technologiczny. Z ich pomocą celowo zmienia się przebieg procesu.

Aby kontrolować działania obejmują włączanie i wyłączanie silników elektrycznych, grzejników elektrycznych, siłowników, położenie zaworów sterujących, położenie regulatorów itp.

Zmienne wyjściowe, którego zestaw tworzy M-wymiarowy wektor stanu Y = y1, y2, y3, ..., yМ... Te zmienne są wyjściem obiektu, który charakteryzuje jego stan i określa wskaźniki jakości gotowego produktu .

Niekontrolowane zakłócające wpływy, których zbiór tworzy G-wymiarowy wektor F = ε1, ε2, ε3, …, εG… Obejmują one takie zakłócenia, których z jakiegoś powodu nie można zmierzyć, na przykład z powodu braku czujników.

Ryż. 1.Wejścia i wyjścia obiektu automatyki

Badanie rozważanych zależności obiektu, który ma być zautomatyzowany, może prowadzić do dwóch diametralnie przeciwstawnych wniosków: istnieje ścisła zależność matematyczna między zmiennymi wyjściowymi i wejściowymi obiektu lub brak zależności między tymi zmiennymi, którą można by wyrazić za pomocą wiarygodnego równania matematycznego. formuła.

W teorii i praktyce automatycznego sterowania procesami technologicznymi zdobyto wystarczające doświadczenie w opisywaniu stanu obiektu w takich sytuacjach. W takim przypadku obiekt jest uważany za jedno z ogniw w systemie automatycznego sterowania. W przypadkach, gdy znany jest matematyczny związek między zmienną wyjściową y a działaniem wejściowym x obiektu sterującego, wyróżnia się dwie główne formy zapisu opisów matematycznych — są to charakterystyki statyczne i dynamiczne obiektu.

Charakterystyka statyczna w formie matematycznej lub graficznej wyraża zależność parametrów wyjściowych od danych wejściowych. Relacje binarne mają zwykle jasny opis matematyczny, np. charakterystyka statyczna dozowników wagowych do materiałów odlewniczych ma postać h = km (tutaj h to stopień odkształcenia elementów sprężystych; t to masa materiału; k to współczynnik proporcjonalności, który zależy od właściwości materiału elementu sprężystego).

Jeśli istnieje kilka zmiennych parametrów, nomogramy mogą być używane jako charakterystyki statyczne.

Charakterystyka statyczna obiektu determinuje późniejsze formowanie celów automatyzacji. Z punktu widzenia praktycznej realizacji w odlewnictwie cele te można sprowadzić do trzech typów:

• stabilizacja początkowych parametrów obiektu;

• zmiana parametrów wyjściowych zgodnie z zadanym programem;

• zmiana jakości niektórych parametrów wyjściowych, gdy zmieniają się warunki procesu.

Jednak wielu obiektów technologicznych nie da się opisać matematycznie ze względu na mnogość powiązanych ze sobą czynników wpływających na przebieg procesu, występowanie czynników niekontrolowanych oraz brak wiedzy o procesie. Takie obiekty są złożone z punktu widzenia automatyzacji. O stopniu złożoności decyduje liczba wejść i wyjść obiektu. Takie obiektywne trudności pojawiają się przy badaniu procesów zredukowanych przez wymianę masy i ciepła. Dlatego w ich automatyzacji niezbędne są założenia lub warunki, które powinny przyczynić się do głównego celu automatyzacji — zwiększenia efektywności gospodarowania poprzez maksymalne zbliżenie trybów technologicznych do optymalnych.

Do badania złożonych obiektów stosowana jest technika polegająca na warunkowej reprezentacji obiektu w postaci „czarnej skrzynki”. Jednocześnie badane są tylko połączenia zewnętrzne, nie bierze się pod uwagę porannej struktury systemu, czyli bada się, co obiekt robi, a nie jak funkcjonuje.

Zachowanie obiektu jest określane przez reakcję wartości wyjściowych na zmiany wartości wejściowych. Głównym narzędziem do badania takiego obiektu są metody statystyczne i matematyczne. Metodologicznie badanie obiektu przeprowadza się w następujący sposób: określa się główne parametry, ustala się dyskretną serię zmian głównych parametrów, parametry wejściowe obiektu są sztucznie zmieniane w ramach ustalonego szeregu dyskretnego, wszystkie zmiany w wyjściach są rejestrowane, a wyniki przetwarzane statystycznie.

Charakterystyka dynamiczna obiekt automatyzacji jest określony przez szereg jego właściwości, z których niektóre przyczyniają się do wysokiej jakości procesu sterowania, inne go utrudniają.

Spośród wszystkich właściwości obiektów automatyki, niezależnie od ich różnorodności, można wyróżnić główne, najbardziej charakterystyczne: pojemność, zdolność do samoustawiania i opóźnienia.

Pojemność to zdolność obiektu do gromadzenia środowiska pracy i przechowywania go w obiekcie. Akumulacja materii lub energii jest możliwa dzięki temu, że w każdym obiekcie istnieje rezystancja wyjściowa.

Miarą pojemności obiektu jest współczynnik pojemności C, który charakteryzuje ilość materii lub energii, jaką należy dostarczyć do obiektu, aby w przyjętej wielkości pomiarowej zmienić wartość kontrolowaną o jedną jednostkę:

gdzie dQ jest różnicą między dopływem a zużyciem materii lub energii; ru — kontrolowany parametr; czas.

Wielkość współczynnika wydajności może być różna w zależności od wielkości kontrolowanych parametrów.

Szybkość zmian kontrolowanego parametru jest tym mniejsza, im większy jest współczynnik nośności obiektu. Wynika z tego, że łatwiej sterować tymi obiektami, których współczynniki pojemności są większe.

Samopoziomujący Jest to zdolność obiektu do wejścia w nowy stan ustalony po zakłóceniu bez ingerencji urządzenia sterującego (regulatora).Obiekty, które mają samonastawność, nazywane są statycznymi, a te, które nie mają tej właściwości, nazywane są neutralnymi lub astatycznymi . Samonastawność przyczynia się do stabilizacji parametru kontrolnego obiektu oraz ułatwia obsługę urządzenia sterującego.

Obiekty samopoziomujące charakteryzują się współczynnikiem (stopień) samopoziomowania, który wygląda następująco:

W zależności od współczynnika samopoziomowania właściwości statyczne obiektu przybierają różną postać (rys. 2).

Zależność kontrolowanego parametru od obciążenia (względne zaburzenie) przy różnych współczynnikach samopoziomowania: 1-idealne samopoziomowanie; 2 — normalne samopoziomowanie; 3 — brak samopoziomowania

Zależność 1 charakteryzuje obiekt, dla którego wielkość sterowana nie zmienia się pod wpływem jakichkolwiek zakłóceń, obiekt taki nie wymaga urządzeń sterujących. Zależność 2 odzwierciedla normalne samodopasowanie obiektu, zależność 3 charakteryzuje obiekt, który nie ma samodopasowania. Współczynnik p jest zmienny, rośnie wraz ze wzrostem obciążenia iw większości przypadków ma wartość dodatnią.

Opóźnienie — jest to czas, jaki upłynął od momentu niewyważenia do początku zmiany wartości regulowanej obiektu. Wynika to z obecności oporu i pędu układu.

Istnieją dwa rodzaje opóźnienia: czyste (lub transportowe) i przejściowe (lub pojemnościowe), które sumują się do całkowitego opóźnienia w obiekcie.

Czyste opóźnienie ma swoją nazwę, ponieważ w obiektach, w których występuje, następuje zmiana czasu odpowiedzi wyjścia obiektu w porównaniu z czasem wystąpienia działania wejściowego, bez zmiany wielkości i kształtu działania. Obiekt pracujący z maksymalnym obciążeniem lub w którym sygnał propaguje się z dużą prędkością ma minimalne opóźnienie netto.

Przejściowe opóźnienie występuje, gdy przepływ materii lub energii pokonuje opory między pojemnością obiektu.Jest to określone przez liczbę kondensatorów i wielkość rezystancji przenoszenia.

Czyste i przejściowe opóźnienia obniżają jakość sterowania; dlatego konieczne jest dążenie do obniżenia ich wartości. Środki pomocnicze obejmują umieszczenie urządzeń pomiarowych i kontrolnych w bliskiej odległości od obiektu, zastosowanie czułych elementów o niskiej bezwładności, racjonalizację strukturalną samego obiektu itp.

Wyniki analizy najważniejszych cech i właściwości obiektów do automatyzacji oraz metody ich badań pozwalają na sformułowanie szereg wymagań i warunków, których spełnienie gwarantuje możliwość udanej automatyzacji. Główne z nich są następujące:

• matematyczny opis relacji obiektowych, przedstawiony w postaci charakterystyk statycznych; dla obiektów złożonych, których nie można opisać matematycznie — wykorzystanie metod matematyczno-statystycznych, tabelarycznych, przestrzennych i innych do badania zależności obiektu w oparciu o wprowadzenie pewnych założeń;

• budowa charakterystyk dynamicznych obiektu w postaci równań różniczkowych lub wykresów do badania procesów przejściowych w obiekcie, z uwzględnieniem wszystkich głównych właściwości obiektu (pojemność, opóźnienie, samopoziomowanie);

• zastosowanie w obiekcie takich środków technicznych, które zapewnią przekazanie informacji o zmianie wszystkich parametrów będących przedmiotem zainteresowania obiektu w postaci zunifikowanych sygnałów mierzonych przez czujniki;

• zastosowanie elementów wykonawczych ze sterowanymi napędami do sterowania obiektem;

• ustalenie wiarygodnie znanych granic zmian zaburzeń zewnętrznych obiektu.

Wymagania podrzędne obejmują:

• określenie warunków brzegowych dla automatyzacji zgodnie z zadaniami kontrolnymi;

• ustanowienie ograniczeń ilości przychodzących i działań kontrolnych;

• obliczanie kryteriów optymalności (wydajności).

Przykładem obiektu automatyki jest instalacja do przygotowania mas formierskich w odlewni

Proces wytwarzania mas formierskich polega na dozowaniu składników wyjściowych, podaniu ich do mieszalnika, wymieszaniu gotowej masy i podaniu jej na linie formierskie, przetworzeniu i regeneracji zużytej masy.

Surowce najczęściej spotykanych mieszanek piaskowo-gliniastych w produkcji odlewniczej: mieszanka odpadowa, świeży piasek (wypełniacz), glina lub bentonit (dodatek wiążący), miał węglowy lub materiały węglowe (dodatek zapobiegający przywieraniu), dodatki ogniotrwałe i specjalne (skrobia , melasa), a także woda.

Parametrami wejściowymi procesu mieszania są koszty określonych materiałów formierskich: zużytej mieszanki, świeżego piasku, gliny lub bentonitu, miału węglowego, skrobi lub innych dodatków, wody.

Początkowe parametry to wymagane właściwości mechaniczne i technologiczne mieszanki formierskiej: wytrzymałość na sucho i na mokro, przepuszczalność gazu, zagęszczenie, odkształcalność, płynność, gęstość nasypowa itp., które są kontrolowane przez analizy laboratoryjne.

Dodatkowo parametry wyjściowe uwzględniają również skład mieszanki: zawartość aktywnych i skutecznych spoiw, zawartość węgla aktywnego, wilgotność lub stopień zwilżenia spoiwa, zawartość miału – drobnych cząstek pochłaniających wilgoć oraz skład granulometryczny mieszaniny lub moduł rozdrobnienia.

Zatem przedmiotem kontroli procesu jest skład składowy mieszaniny. Poprzez zapewnienie optymalnego składu składników gotowej mieszanki, wyznaczonego eksperymentalnie, możliwe jest osiągnięcie stabilizacji na zadanym poziomie właściwości mechanicznych i technologicznych mieszanki.

Zakłócenia, którym poddawany jest układ przygotowania mieszanki, znacznie komplikują zadanie stabilizacji jakości mieszanki. Przyczyną zakłócenia jest obecność przepływu recyrkulacyjnego — wykorzystanie mieszaniny odpadów. Głównym oburzeniem w systemie przygotowania mieszanki są procesy zalewania. Pod wpływem ciekłego metalu, w części mieszanki znajdującej się blisko odlewu i podgrzanej do wysokich temperatur, zachodzą głębokie zmiany w składzie aktywnego spoiwa, węgla i skrobi oraz ich przejście w składnik nieaktywny.

Przygotowanie mieszanki składa się z dwóch następujących po sobie procesów: dozowania lub mieszania mieszanki, co zapewnia uzyskanie wymaganego składu składnika, oraz mieszania, które zapewnia uzyskanie jednorodnej mieszanki i nadaje jej niezbędne właściwości technologiczne.

W nowoczesnym procesie technologicznym przygotowania mas formierskich stosuje się ciągłe metody dozowania surowców (tłoczników), których zadaniem jest uzyskanie ciągłego przepływu stałej ilości materiału lub jego poszczególnych składników z odchyleniami natężenia przepływu od podane nie więcej niż dopuszczalne.

Automatyzację procesu mieszania jako obiektu kontrolnego można wykonać w następujący sposób:

• racjonalna konstrukcja systemów przygotowania mieszaniny, pozwalająca na wykluczenie lub ograniczenie wpływu zaburzeń na skład mieszanki;

• stosowanie ważących metod dozowania;

• tworzenie połączonych układów sterowania dozowania wieloskładnikowego, uwzględniających dynamikę procesu (bezwładność i opóźnienie mieszadła), przy czym wiodącym składnikiem powinna być zużyta mieszanka, która charakteryzuje się znacznymi wahaniami natężenia przepływu i składu;

• automatyczna kontrola i regulacja jakości mieszanki podczas jej przygotowania;

• tworzenie automatycznych urządzeń do kompleksowej kontroli składu i właściwości mieszaniny z przetwarzaniem wyników kontroli na komputerze;

• terminowa zmiana receptury mieszanki przy zmianie stosunku mieszanina/metal w formie oraz czasu chłodzenia odlewu przed uderzeniem.