Objekty automatizace a jejich vlastnosti

Automatizační objekty (řídicí objekty) — jedná se o samostatná zařízení, kovoobráběcí stroje, stroje, agregáty, zařízení, komplexy strojů a zařízení, které musí být ovládány. Jsou velmi různorodé co do účelu, struktury a principu působení.

Předmět automatizace je hlavní složkou automatického systému, která určuje povahu systému, proto je jeho studiu věnována zvláštní pozornost. Složitost objektu je dána především stupněm jeho znalostí a rozmanitostí funkcí, které plní. Výsledky studie objektu musí být prezentovány formou jasných doporučení ohledně možnosti úplné nebo částečné automatizace objektu nebo absence nezbytných podmínek pro automatizaci.

Charakteristika objektů automatizace

Návrhu automatického řídicího systému musí předcházet průzkum lokality, aby se zjistily vztahy na místě. Obecně lze tyto vztahy reprezentovat jako čtyři sady proměnných.

Řízená porucha, jejichž kolekce tvoří L-rozměrný vektor H = h1, h2, h3, ..., hL... Zahrnují měřitelné veličiny, které jsou závislé na vnějším prostředí, jako jsou ukazatele kvality surovin ve slévárně, množství páry spotřebované v parním kotli, průtok vody v průtokovém ohřívači vody, teplota vzduchu ve skleníku, která se mění v závislosti na vnějších podmínkách prostředí a faktorech ovlivňujících proces. U řízených poruch jsou omezení kladena na technologické podmínky.

Ukazatel technologického procesu, který má být řízen, se nazývá řízená veličina (souřadnice) a fyzikální veličina, kterou je ukazatel technologického procesu řízen, se nazývá řídicí akce (vstupní veličina, souřadnice).

Kontrolní akce, jejichž souhrn tvoří n-rozměrný vektor X = x1, x2, x3, ..., xn... Jsou nezávislé na vnějším prostředí a mají nejvýraznější vliv na technologický proces. S jejich pomocí se cíleně mění průběh procesu.

K ovládání akcí zahrnují zapínání a vypínání elektromotorů, elektrických ohřívačů, pohonů, polohu regulačních ventilů, polohu regulátorů atd.

Výstupní proměnné, jehož množina tvoří M-rozměrný stavový vektor Y = y1, y2, y3, ..., yМ... Tyto proměnné jsou výstupem objektu, který charakterizuje jeho stav a určuje ukazatele kvality hotového výrobku. .

Nekontrolované rušivé vlivy, jejichž sbírka tvoří G-rozměrný vektor F = ε1, ε2, ε3, …, εG... Zahrnují takové poruchy, které nelze z toho či onoho důvodu změřit, například kvůli nedostatku senzorů.

Rýže. 1.Vstupy a výstupy objektu automatizace

Studium uvažovaných vztahů objektu, který má být automatizován, může vést ke dvěma diametrálně odlišným závěrům: mezi výstupními a vstupními proměnnými objektu existuje přísná matematická závislost, nebo mezi těmito proměnnými neexistuje žádná závislost, kterou lze vyjádřit spolehlivým matematickým vzorec.

V teorii a praxi automatického řízení technologických procesů byly získány dostatečné zkušenosti s popisem stavu objektu v takových situacích. V tomto případě je objekt považován za jeden z článků v systému automatického řízení. V případech, kdy je znám matematický vztah mezi výstupní proměnnou y a řídicí vstupní akcí x objektu, se rozlišují dvě hlavní formy záznamu matematických popisů — to jsou statické a dynamické charakteristiky objektu.

Statická charakteristika v matematické nebo grafické podobě vyjadřuje závislost výstupních parametrů na vstupu. Binární vztahy mají obvykle jasný matematický popis, např. statická charakteristika navažovacích dávkovačů pro odlévací materiály má tvar h = km (zde h je míra deformace pružných prvků; t je hmotnost materiálu; k je faktor úměrnosti, který závisí na vlastnostech materiálu pružného prvku).

Pokud existuje několik proměnných parametrů, lze jako statické charakteristiky použít nomogramy.

Statická charakteristika objektu určuje následnou tvorbu automatizačních cílů. Z hlediska praktické realizace ve slévárenství lze tyto cíle zredukovat na tři typy:

• stabilizace výchozích parametrů objektu;

• změna výstupních parametrů podle daného programu;

• změna kvality některých výstupních parametrů při změně podmínek procesu.

Řadu technologických objektů však nelze matematicky popsat kvůli množství vzájemně souvisejících faktorů ovlivňujících průběh procesu, přítomnosti neovlivnitelných faktorů a nedostatku znalostí o procesu. Takové objekty jsou složité z hlediska automatizace. Míra složitosti je dána počtem vstupů a výstupů objektu. Takové objektivní obtíže vznikají při studiu procesů redukovaných přenosem hmoty a tepla. Proto jsou při jejich automatizaci nutné předpoklady či podmínky, které by měly přispět k hlavnímu cíli automatizace — zvýšit efektivitu řízení maximálním přiblížením technologických režimů k optimálním.

Ke studiu složitých objektů se používá technika, která spočívá v podmíněné reprezentaci objektu ve formě «černé skříňky». Přitom se studují pouze vnější souvislosti, nebere se v úvahu ani ranní struktura systému, to znamená, že se studuje, co objekt dělá, ne jak funguje.

Chování objektu je určeno reakcí výstupních hodnot na změny vstupních hodnot. Hlavním nástrojem pro studium takového objektu jsou statistické a matematické metody. Metodicky se studium objektu provádí následujícím způsobem: jsou určeny hlavní parametry, stanovena diskrétní řada změn hlavních parametrů, uměle změněny vstupní parametry objektu v rámci stanovené diskrétní řady, všechny změny ve výstupech se zaznamenávají a výsledky se statisticky zpracovávají .

Dynamické charakteristiky předmět automatizace je dán řadou svých vlastností, z nichž některé přispívají ke kvalitnímu procesu řízení, jiné mu brání.

Ze všech vlastností automatizačních objektů, bez ohledu na jejich rozmanitost, lze rozlišit ty hlavní, nejcharakterističtější: kapacita, schopnost samozarovnání a zpoždění.

Kapacita je schopnost předmětu akumulovat pracovní prostředí a ukládat ho do předmětu. Akumulace hmoty nebo energie je možná díky tomu, že v každém objektu je výstupní odpor.

Měřítkem kapacity objektu je koeficient kapacity C, který charakterizuje množství hmoty nebo energie, které je třeba dodat objektu, aby se řízená hodnota změnila o jednu jednotku v přijaté velikosti měření:

kde dQ je rozdíl mezi přítokem a spotřebou hmoty nebo energie; ru — řízený parametr; to je čas.

Velikost kapacitního faktoru může být různá v závislosti na velikostech řízených parametrů.

Rychlost změny řízeného parametru je tím menší, čím větší je kapacitní faktor objektu. Z toho vyplývá, že je snazší ovládat ty objekty, jejichž kapacitní koeficienty jsou větší.

Samonivelační Jedná se o schopnost objektu vstoupit do nového ustáleného stavu po narušení bez zásahu řídicího zařízení (regulátoru).Objekty, které mají samočinné vyrovnání, se nazývají statické, a ty, které tuto vlastnost nemají, se nazývají neutrální nebo astatické. . Samonastavování přispívá ke stabilizaci řídicího parametru objektu a usnadňuje činnost řídicího zařízení.

Samonivelační objekty jsou charakterizovány koeficientem (stupněm) samonivelace, který vypadá takto:

V závislosti na samonivelačním koeficientu má statická charakteristika objektu různou podobu (obr. 2).

Závislost řízeného parametru na zatížení (relativní porucha) při různých koeficientech samonivelace: 1-ideální samonivelace; 2 — normální samonivelační; 3 — nedostatek samonivelace

Závislost 1 charakterizuje objekt, u kterého se regulovaná hodnota při žádných poruchách nemění, takový objekt nepotřebuje ovládací zařízení. Závislost 2 odráží normální samozarovnání objektu, závislost 3 charakterizuje objekt, který nemá žádné samozarovnání. Koeficient p je proměnný, s rostoucím zatížením roste a ve většině případů má kladnou hodnotu.

Zpoždení — to je čas, který uplynul mezi okamžikem nevyváženosti a začátkem změny řízené hodnoty objektu. To je způsobeno přítomností odporu a hybnosti systému.

Existují dva typy zpoždění: čisté (neboli transportní) a přechodné (nebo kapacitní), které přidávají k celkovému zpoždění v objektu.

Čisté zpoždění dostalo svůj název, protože v objektech, kde existuje, dochází ke změně doby odezvy výstupu objektu ve srovnání s dobou, kdy nastane vstupní akce, aniž by se změnila velikost a tvar akce. Zařízení pracující při maximální zátěži nebo ve kterém se signál šíří vysokou rychlostí má minimální čisté zpoždění.

Přechodné zpoždění nastává, když tok hmoty nebo energie překonává odpory mezi kapacitou objektu.Je určena počtem kondenzátorů a velikostí přenosových odporů.

Čistá a přechodná zpoždění snižují kvalitu řízení; proto je nutné usilovat o snížení jejich hodnot. Mezi přispívající opatření patří umístění měřicích a regulačních zařízení v těsné blízkosti objektu, použití prvků citlivých na nízkou setrvačnost, konstrukční racionalizace samotného objektu atd.

Výsledky analýzy nejdůležitějších charakteristik a vlastností objektů pro automatizaci, stejně jako metody jejich výzkumu, umožňují formulovat řadu požadavků a podmínek, jejichž splnění zaručuje možnost úspěšné automatizace. Hlavní jsou následující:

• matematický popis vztahů objektů, prezentovaný ve formě statických charakteristik; u složitých objektů, které nelze matematicky popsat — použití matematických a statistických, tabulkových, prostorových a jiných metod ke studiu vztahů objektu na základě zavedení určitých předpokladů;

• konstrukce dynamických charakteristik objektu ve formě diferenciálních rovnic nebo grafů pro studium přechodných procesů v objektu s přihlédnutím ke všem hlavním vlastnostem objektu (kapacita, zpoždění, samonivelace);

• použití v objektu takových technických prostředků, které by zajistily uvolnění informace o změně všech zájmových parametrů objektu ve formě unifikovaných signálů měřených senzory;

• použití akčních členů s řízenými pohony k ovládání objektu;

• stanovení spolehlivě známých mezí změn vnějších poruch objektu.

Mezi podřízené požadavky patří:

• stanovení okrajových podmínek pro automatizaci v souladu s řídicími úkoly;

• stanovení omezení příchozích množství a kontrolních akcí;

• výpočet kritérií pro optimalitu (efektivitu).

Příkladem objektu automatizace je zařízení pro přípravu formovacích písků ve slévárně

Proces výroby formovacích písků sestává z dávkování počátečních složek, jejich přivádění do mísiče, míchání hotové směsi a její přivádění do formovacích linek, zpracování a regenerace použité směsi.

Výchozí materiály nejběžnějších písko-jílových směsí ve slévárenské výrobě: odpadní směs, čerstvý písek (plnivo), jíl nebo bentonit (přísada pojiva), mleté ​​uhlí nebo uhlíkaté materiály (nepřilnavá přísada), žáruvzdorné a speciální přísady (škrob , melasa) a také voda.

Vstupními parametry procesu míchání jsou náklady na uvedené formovací hmoty: použitá směs, čerstvý písek, jíl nebo bentonit, mleté ​​uhlí, škrob nebo jiné přísady, voda.

Výchozími parametry jsou požadované mechanické a technologické vlastnosti formovací směsi: pevnost za sucha a za mokra, plynopropustnost, zhutnění, tvárnost, tekutost, objemová hmotnost atd., které jsou kontrolovány laboratorním rozborem.

Mezi výstupní parametry navíc patří i složení směsi: obsah aktivních a účinných pojiv, obsah aktivního uhlí, vlhkost nebo stupeň smáčení pojiva, obsah jemných - vlhkost pohlcujících jemných částic a granulometrické složení směsi nebo modul jemnosti.

Předmětem řízení procesu je tedy složení směsi. Zajištěním experimentálně stanoveného optimálního složení složek hotové směsi je možné dosáhnout stabilizace na dané úrovni mechanických a technologických vlastností směsi.

Poruchy, kterým je vystaven systém přípravy směsi, značně komplikují stabilizaci kvality směsi. Důvodem poruchy je přítomnost recirkulačního toku — použití odpadní směsi. Hlavním pohoršením systému přípravy směsi jsou procesy lití. Vlivem tekutého kovu dochází v části směsi v těsné blízkosti odlitku a zahřáté na vysoké teploty k hlubokým změnám ve složení aktivního pojiva, uhlí a škrobu a jejich přechodu na neaktivní složku.

Příprava směsi se skládá ze dvou na sebe navazujících procesů: dávkování nebo míchání směsi, které zajistí získání potřebného složení složky, a míchání, které zajistí získání homogenní směsi a dodá jí potřebné technologické vlastnosti.

V moderním technologickém procesu přípravy formovacích směsí se používají kontinuální způsoby dávkování surovin (formovacích) materiálů, jejichž úkolem je vyrábět kontinuální tok konstantního množství materiálu nebo jeho jednotlivých složek s odchylkami průtoku od poskytnuto ne více, než je přípustné.

Automatizaci procesu míchání jako řídicího objektu lze provést následujícím způsobem:

• racionální konstrukce systémů pro přípravu směsi, umožňující vyloučit nebo snížit vliv poruch na složení směsi;

• použití metod vážení dávkování;

• vytvoření propojených řídicích systémů pro vícesložkové dávkování s přihlédnutím k dynamice procesu (setrvačnost a zpoždění mixéru) a vedoucí složkou by měla být vyčerpaná směs, která má značné výkyvy v průtoku a složení;

• automatická kontrola a regulace kvality směsi při její přípravě;

• vytvoření automatických zařízení pro komplexní kontrolu složení a vlastností směsi se zpracováním výsledků kontroly na počítači;

• včasná změna receptury směsi při změně poměru směs / kov ve formě a doby chlazení odlitku před úderem.