Развитие автоматики и средств автоматизации Автоматика – от греческого слова “автоматос” – самодействующий аппарат. Автоматика – отрасль науки и техники, которая исследует и применяет теорию автоматического управления, принципы построения автоматических систем и технические средства для реализации этих систем. Первые сведения по автоматике дошли до нас к началу нашей эры. Греческий ученый Герон Александрийский – разработал в свое время два автоматических устройства: автомат для открытия дверей храма при зажигании огня и механический автомат для отпуска священной воды. Как наука автоматика возникла во второй половине XVIII века, когда появились первые сложные машины – орудия (прядильные, ткацкие станки и др.), которые заменили тяжелый ручной труд и дали возможность резко поднять его производительность. Тогда же на смену простейшим двигателям (ветряным и гидравлическим) пришли паровые машины. В 1765 году И.И.Ползунов изобрел первую паровую машину и автоматический регулятор уровня воды в паровом котле, который применяется и в настоящее время. В 1784 г. английский ученый Джеймс Уатт изобрел автоматический регулятор скорости паровой машины (применяется в промышленности). По мере развития техники и освобождения человека от тяжелого физического труда функции управления процессами и орудиями труда не только не уменьшались, а, наоборот, все больше расширялись и усложнялись. Во многих случаях человек утратил возможность управлять механизированным производством без специальных дополнительных устройств. Это и обусловило возникновение и развитие автоматического производства. Автоматизация – высший этап развития машинной техники, на котором работники сельского хозяйства высвобождаются не только от физического труда, но и от функций контроля за машинами, оборудованием, производственными процессами и операциями управления ими. Автоматизация способствует неограниченному повышению производительности труда, улучшению условий труда людей, сближению труда физического с умственным и улучшению качества выпускаемой продукции. Несмотря на относительно длительную историю своего развития, автоматизация достигла наибольших успехов только во второй половине XX столетия. В сельском хозяйстве она начала развиваться сравнительно недавно, но уже показала свою высокую эффективность. Так, комплексная автоматизация приготовления кормов на поточных линиях обеспечивает уменьшение трудовых затрат в 4...5 раз и снижение себестоимости приготовления кормов на 30...50%. АСУП –это человеко-машинная система, обеспечивающая автоматизированный сбор, обработку и хранение информации, необходимой для оптимизации управления в различных сферах, главным образом в организационно-экономической деятельности человека, например управление хозяйственно-плановой деятельностью отрасли, предприятием, комплексом, территориальным регионом, т. е. управление системой сельскохозяйственных подразделений. Автоматизированная СУ ТП это тоже человеко-машинная система, обеспечивающая автоматизированный сбор, хранение и обработку информации о ходе протекания ТП, а также выдачу управляющихвоздействий на ТП в соответствии с принятым критерием управления. Обычно АСУ ТП охватывает отдельные цеха, животноводческие и птицеводческие фермы, хранилища, хозяйства в целом. АСУ ТП помогает диспетчеруи руководителю предприятия оперативно находить решении по оптимальному управлению производственным процессом, опираясь на показатели отдельных технологических операций. Автоматическая СУ ТП представляет собой совокупность автоматических управляющих устройств и объекта управления (ОУ), взаимодействующих без непосредственного участия человека. Дистанционное управление объединяет в себе методы и технические средства управления установками и различными объектами на расстоянии. Импульсы на управление (команды) подаются обслуживающим персоналом по линиям связи с помощью соответствующих кнопок, ключей и другой командной аппаратуры. Телемеханика – область науки и техники, охватывающая теорию и технические средства автоматической передачи на расстояние команд управления и получения информации о состоянии ОУ. Телемеханические системы позволяют объединить в один ТП работу большого числа машин и установок, расположенных одна от другой на значительном расстоянии. В зависимости от назначения их принято разделять на системы телесигнализации, телеизмерения и телеуправления. Управление может осуществлять человек – ручное управление или техническое устройство – автоматическое управление. Машина или установка, оборудованная автоматическим управляющим устройством и действующая без непосредственного участия человека, называется автоматом. Создание и использование автоматов представляет собой новый этап машинного производства, который называется автоматизацией. Автоматизация, как более высокий этап машинного производства, развивается на базе механизации и электрификации сельскохозяйственного производства. Совокупность ОУ и РО, которые взаимодействуют между собой при выполнении технологических процессов – называется автоматическая система управления (АСУ). АС которая может стабилизировать какой-либо параметр тех процесса – это система стабилизации тех процесса. АС которые позволяют изменять регулируемые параметры по определенному закону – это системы регулирования. Любую систему автоматического управления или регулирования можно представить в виде устройств, называемых элементами АСУ. АСУ → ОУ + АР В целом вся АС состоит из отдельных элементов, так называемых функциональных элементов. В процессе работы элементы и система в целом испытывают на себе воздействие различных факторов. Под воздействием понимают влияние внешней среды на объект управления или одного элемента АСУ на другой, при выполнении технологического процесса. Различают внутренние и внешние воздействия. Внутренние воздействиями называются такие воздействия, которые передаются от одного элемента АСУ на другой, образуя последовательную цепь воздействий, обеспечивающих протекание технологического процесса с заданными показателями (параметрами). Такие воздействия называют управляющими. Внешние воздействия в свою очередь можно разделить на два вида. К первому виду относят такие, которые необходимы для нормального протекания технологического процесса – это по существу управляющие воздействия, их подают на вход системы намерено, сознательно в соответствии с алгоритмом функционирования задающими воздействиями. Ко второму виду – относят те воздействия которые поступают непосредственно на объект из внешней среды. Под внешней средой понимается все то, что не входит в рассматриваемую АСУ. Они носят случайный характер и называются возмущающими воздействиями (возмущениями). Задающие воздействия в общем виде принято обозначать функцией x(t). Под влиянием x(t) в АСУ происходят различные количественные и качественные изменения в результате чего показатели процесса приобретают заданные (предписанные) значения или получают требуемый характер изменения. Показатели процесса называются управляющими (регулируемыми) величинами и обозначаются как у(t). Значения управляемой величины предусматривает алгоритм функционирования, называются предписанными, а измерение (фактические) – действительное значение. Задающее воздействие x(t) называется входными. Управляющие воздействия y (t) – выходными. Возмущающие воздействия (возмущения) обозначаются f(t) и подразделяются на основные и второстепенные. К основным относят такие, которые оказывают наибольшее влияние на управляющие, регулируемые величины у(t). Если влияние возмущения на управляемую величину у(t) незначительно, то их считают второстепенными. АСУ обычно испытывают влияния и основных и второстепенных возмущений. Как правило, второстепенными возмущениями пренебрегают при анализе динамических свойств. Для двигателя постоянного тока при неизменном токе возбуждения Iвозб, управляющая величина является частота вращения пвращ у(t), управляющим воздействием Uяк. Основным возмущением является нагрузка на валу двигателя, а второстепенное возмущения – те возмущения, которые приводят к незначительному отклонению частоты вращения двигателя в частности изменение температуры t, напряжения питания обмотки возбуждения, сопротивление щеток и т.п. Если в АСУ одна управляемая величина (например, управление воды в резервуаре водонапорной башни), то система называется одноконтурной. Если управляющих величин характеризующих тех процесс несколько, причем изменение одной величины влияет на другую, то система называется многоконтурной (например, зерноуборочный комбайн – скорость движения, величина хлебной массы, обороты барабана, обороты вентилятора, уровень зерна в бункере, заполненность копнителя и другое). Алгоритмы функционирования АСУ В сельскохозяйственном производстве используется множество машин, установок, предназначенных для выполнения разнообразных функций. Управление машиной направлено на достижение определенной цели, для которой эта машина создана. Совокупность правил, предписаний или математических зависимостей, определяющих последовательность изменения выходной величины, соответствующее нормальному функционированию объекта, называется алгоритмом функционирования (АФ). Он отражает и представляет фактическую цель управления и определяется на основе технологических, экономических и других требований изменения выходной величины объекта в процессе его функционирования. Рассмотрим основные алгоритмы функционирования. 1. Стабилизация – это АФ, при котором выходная величина объекта поддерживается неизменной. АСУ, в которых реализуется этот АФ, называются системами стабилизации. В системах стабилизации y(t) = const. Управляющее устройство, осуществляющее стабилизацию выходной величины объекта, называется автоматическим регулятором. В качестве примера рассмотрим систему стабилизации частоты вращения вала теплового двигателя. Схема установки показана на рисунке 2.1, а. Управляемый объект — двигатель и рабочая машина. Дроссельная заслонка Д служит органом управления. Управляемая величина объекта – частота вращения вала Q зависит от угла открытия заслонки и от нагрузки, создаваемой рабочей машиной на вал двигателя. Рис. 2.1 – Система стабилизации частоты вращения вала: а – теплового двигателя; б – электрического двигателя. Автоматическое управляющее устройство (регулятор) состоит из центробежного измерителя частоты вращения вала Ц, соединенного через механический редуктор с валом двигателя. Системой рычагов центробежный измеритель Ц соединен с дроссельной заслонкой Д. Система стабилизации частоты вращения работает следующим образом. При повышении частоты вращения вала Q под действием центробежной силы грузы центробежного измерителя Д расходятся, сжимают пружину П и перемещают шток Ш вверх. Через рычаг Р шток передает движение заслонке Д, уменьшая поступление горючей смеси в рабочие цилиндры двигателя. В результате этого частота вала двигателя и рабочей машины уменьшается и устанавливается близкой к первоначальной. Первоначальная частота вращения задается начальным углом открытия дроссельной заслонки и сжатием пружины центробежного измерителя частоты вращения вала. Для этой цели предусмотрена специальная ручка установки задания. 2. Программное управление – это АФ, при котором выходная величина объекта изменяется по заранее предусмотренной программе. Системы, реализующие этот АФ, называются программными. Программа может быть задана во времени (временное программное управление) и в пространстве (пространственное программное управление). Основное отличие систем программного управления от систем стабилизации состоит в том, что в системах программного управления главной задачей является воспроизведение программы управления с заданной точностью. Программа задается задатчиком, который выдает последовательность команд в соответствии с требуемым АФ объекта в виде xo(t). При задании программы во времени в качестве задатчика применяют программное реле времени или часовой механизм, перемещающий задающий потенциометр или другой задатчик регулятора в соответствии с требуемой программой изменения выходной величины y(t)объекта. Пространственное программное управление используется для движения по определенной траектории в пространстве: например, движение фрезы по заданному контуру в станке с программным управлением. Программа в этом случае может быть задана в виде шаблона, по которому перемещается копир. В станках с числовым программным управлением программа задается в виде чисел, определяющих координаты обработки детали. Программно задается также время включения и отключения искусственного освещения в теплицах, птичниках, изменение освещенности при создании искусственного «заката» и «рассвета» и т. п. Систему программного управления можно рассматривать как совокупность системы стабилизации и программного задающего устройства. 3. Следящие системы.АФ следящей системы заключается в том, что выходная величина должна повторять изменение входной величины, причем закон изменения последней заранее неизвестен. Следящая система представляет собой усилитель мощности, и ее основная задача – точно воспроизводить входную величину при наличии возмущений. Наиболее часто встречаются следящие системы для воспроизводства угла, частоты вращения, момента, напряжения, тока и т. п. Следящую систему можно рассматривать так же, как совокупность системы стабилизации и специального преобразователя, изменяющего задание в зависимости от случайного изменения некоторой величины. Например, в пропашных орудиях следящая система используется для управления положением рабочих органов в зависимости от направления рядков растений. Специальное устройство – копир следит за направлением рядков и задает требуемое положение пропашных органов, чтобы они не повреждали растений. В последнее время в технических системах применяются более сложные (тонкие) АФ, такие как поиск экстремума показателя качества, оптимальное управление, самоприспособление (адаптация). 4. Алгоритм поиска экстремума предполагает отыскание и поддержание выходной переменной УО при изменении состояния объекта и возмущений. Примером системы алгоритма поиска экстремума может служить теплогенератор, статическая характеристика которого имеет экстремум температуры топочных газов при данном расходе топлива. Для поддержания экстремума температуры необходимо поддерживать расход воздуха и топлива строго постоянными при отсутствии неконтролируемых возмущений. Но в реальных условиях у теплогенератора, как и у любого объекта, существуют неконтролируемые возмущения, которые заранее учесть практически невозможно (например, изменение калорийности топлива, подсосы воздуха и т. п.) и которые вызывают отклонение температуры от ее максимального значения. Под действием возмущения точка экстремума температуры будет смещаться. Чтобы вернуть систему к экстремуму, следует воздействовать на управляющий орган. Один из способов определения направления воздействия основан на определении знака и значения производной dy/du или dl/dt. В точке экстремума скорость изменения выходной величины равна нулю при значении управляющего воздействия и = иопт. Такая система работает как обычная стабилизирующая система, у которой заданием является величина dy/du = 0. 5. Алгоритм оптимального управления предполагает достижение наилучших в определенном смысле условий работы УО в переходном режиме при наличии ограничений на входные, выходные величины и переменные состояния объекта. Такими условиями могут быть, например, минимальные затраты энергии, быстродействие и др. Показатель эффективности выражается некоторым функционалом от входных и выходных переменных и от времени с учетом ограничений. Примером алгоритма оптимального управления может быть изменение температуры в помещении от одного значения до другого за минимальное время при ограниченных затратах энергии или изменение температуры при минимальных затратах энергии за ограниченное время. 6. Алгоритм адаптации предполагает такое изменение выходных величин УО, при которых сохраняется заданное качество работы объекта. При этом система может изменять свои параметры и структуру. Примером самоприспосабливающейся системы может быть система, обеспечивающая изменение режима работы тракторного агрегата при изменении условий работы: пахоты на неровном рельефе, на почвах с различными механическими свойствами и т. п. Для выполнения заданного АФ управляемого объекта должны соответствующим образом формироваться и управляющие воздействия. Правило формирования последовательности управляющих воздействий, обеспечивающих выполнение АФ управляемого объекта с требуемой точностью, называется алгоритмом управления. 7. Алгоритм управления зависит как от АФ, так и от динамических свойств УО. Эта связь может быть представлена различными математическими зависимостями. В общем случае u(t) = A[y(t), f(t)], где А – оператор, определяющий вид зависимости. сократи текст