Автоматизация производственных процессов

Существуют абсолютные показатели технологичности

1. трудоемкость изготовления изделии

2. себестоимость изготовленных изделии

3. материалоемкость

4. энергоемкость

Где: - коэф. трудоемкости изготовленного изделия.

- показатель изделия

Где: - трудоемкость изготовления базового изделия.

- аналог

- коэф. сложности

- коэф. снижения трудоемкости

Материалоемкость - это кол-во затрат материала на производства изделия, эксплуатацию и ремонт на единицу массы.

Энергоемкость изделия - кол-во затрачиваемых топливно-энергетических ресурсов на изготовление эксплуатацию и ремонт.

Существуют и частные показатели технологичности.

1. технические показатели унификации конструкции это коэф унификации конструкции.

2. коэф унификации сб. единицы

3. коэф унификации детали.

Где: - число

- число унифицированных деталей

Е - общее число сборочных единиц

Д - общее число сборочных деталей

Где: - заимствованные унифицированные сборочные единицы

- покупные унифицированные сборочные единицы

- стандартные унифицированные сборочные единицы

Где: - заимствованные детали

- покупные

- стандартные

Е=

Где: - оригинальные

Д=

Где: - оригинальные детали

Коэф стандартизации

Где: - число стандартных сборочные единицы

- число стандартных сборочные деталей

Е - общее число сборочных единиц

Д - общее число сборочных деталей

Коэф унификации сборочных единиц.

Коэф унификации конструктивных элементов

в машиностроении

Существуют дополнительно 2 технических показателя унификации применяемых технологических процессов.

Технические показатели расхода материалов.

не меньше 0.73

Коэф точности обработки изделия

Где: - средняя мощность изготовления детали или сборки.

коэффициент точности обработки, сборки ? 0.8 в машиностроении

где: А - квалитет точности

n - Число размеров данного квалитета

5. Коэффициент шероховатости обработки

где: Бср. - среднее числовое значение параметра шероховатости

коэффициент шероховатости в машиностроении Кш ? 0.32.

4.1.3 Подготовка конструкции изделия к автоматизированному производству

При разработке принципиальных схем необходимо выбирать наиболее простую из всех возможных обеспечивающую все функции изделия при наименьшем количестве простых деталей узлов. При разработке конструкции детали необходимо: 1. Унифицировать не только отдельные детали, но и все их элементы.

2. Придавать деталям преимущественно простые формы симметричные и асимметричные с учетом требований загрузочных, ориентирующих и транспортных устройств.

3. Обеспечивать рациональную простановку размерных цепей, допусков и посадок, не требующие специального оборудования и не затрудняющих измерение в процессе изготовления.

4. Не применять трудно обрабатываемые материалы, затрудняющие автоматизацию производства.

5. Обеспечить достаточную жесткость и прочность детали, чтобы в процессе обработки не появлялись деформации, и не требовалось искусственного занижения режимов резания.

6. Обеспечивать постоянство технологических баз в процессе обработки.

При разработке конструкции изделия для организационной формы необходимо:

1. Обеспечить доступность к любым участкам траектории движения изделия без сложных движений.

2. Исключить индивидуальную подгонку и сборку, разборку сборочных единиц, т. е применять методы полной, неполной, групповой взаимозаменяемости, метод регулировки.

3. Чтобы связь между сборочными единицами допускала некоторое смещение без нарушения работоспособности изделия.

4. Чтобы детали имели четкую базовую поверхность для сборки, следует стремиться к совмещению конструкторской, измерительной и сборочной баз.

5. Максимально использовать унифицированные, нормализованные и стандартные детали, узлы, блоки.

6. Чтобы конструкция изделия разъединялась на самостоятельные сборочные единицы. Сборочная единица является самостоятельной, если она кинематически связана и допускает независимую сборку, контроль и испытание.

7. Выбирать виды деталей и сборочные единицы не только исходя из условия их работы, но и возможности применения в автоматизированном виде сборки. Наряду с обеспечением возможности эффективной автоматизации процессов обработки и сборки повышения технологичности конструкций позволяет также существенно снизить трудоемкость изготовления изделий, их себестоимость, а в ряде случаев и материалоемкость.

4.2 Технологический процесс - основа автоматизации производства

Разработка любого автоматизированного оборудования, проектирование автоматизированных участков и цехов начинается с разработки технологического процесса.

Качественная и количественная стороны разработки предусматривают следующее:

1. Выбор методов обработки, учитывается возможность автоматизации.

2. Определяется последовательность обработки (выполнения ТП).

3. Выбор режущего и мерительного инструмента.

4. Выбор технологических баз (если они еще не заданы).

5. Выбор оптимальной степени дифференциации и концентрации операций технологического процесса.

6. Выбор режимов обработки.

7. Выбор оптимальной структуры автоматических систем оборудования.

При решении этих задач необходимо исходить из обеспечения высокой производительности и заданного качества изделий и в результате получать величину времени обработки в цикле, т.е. время рабочих ходов, а, следовательно, и технологическую производительность. Как говорилось раньше, важнейшим средством повышения производительности оборудования является повышение технологической производительности, т.е. интенсификация технологического процесса путем внедрения новых методов и режимов обработки, а также осуществление дифференциации и концентрации операций.

4.2.1 Два класса технологических процессов подлежащих автоматизации.

Технологические процессы по характеру ориентации изделий и по необходимости обеспечения строгой кинематической связи движений заготовки и рабочего инструмента можно разбить на два основных класса.

К первому классу относятся процессы, при осуществлении которых требуется обязательная ориентация изделий относительно рабочего инструмента, а характер относительного движения заготовки и инструмента подчиняется строгой кинематической зависимости. К этому классу относится большая часть процессов механической обработки и сборки. Автоматизация этих процессов наиболее сложна.

Ко второму классу относятся процессы, при выполнении которых не требуется ориентация заготовок, а рабочий инструмент представляет собой активную обрабатывающую среду. Это процессы термообработки, сушки, мойки и окраски деталей простейших форм методом погружения и т.д. При выполнении таких процессов заготовки могут занимать безразличное положение, соблюдение кинематической связи движений не требуется, и автоматизация этих процессов осуществляется более просто. Существует и промежуточный класс процессов, когда заготовки должны занимать определенное положение, а рабочий инструмент представляет собой активную рабочую среду (окраска методом пульверизации, гальванопокрытия, напыления) или когда при наличии рабочего инструмента исходный материал подается в рабочую зону без ориентирующих движений (прессование заготовок из пластмасс). Автоматизация этих процессов также не представляет больших затруднений. С точки зрения непрерывности технологические процессы можно разбить на три класса.

К первому классу относятся процессы, осуществляемые на машинах дискретного действия. После выполнения каждой операции они периодически прерываются из-за необходимости выполнения ряда вспомогательных движений и холостых ходов, установки и снятия обработанных заготовок. Оборудование этого класса автоматы и полуавтоматы. При выполнении операций они характеризуются строгой цикличностью протекания элементов выполняемой операции. Зная время рабочего цикла автомата или полуавтомата

Т(мин), определяют их производительность(шт/мин)

Q = 1/T = 1/(tо+tв)

Где: tо - основное время, т.е время выполнения основных движений, связанных с осуществлением технологического процесса, (мин);

tв - время выполнения вспомогательных движений, не связанных непосредственно с выполнением технологического процесса. (мин)

и средних деталей с достаточно высокой точностью.

Ко второму классу относятся процессы, выполняемые на оборудовании непрерывного действия (бесцентровое шлифование, волочение проволоки, прокатка). Этот процесс характеризуется непрерывным движением изделий при неподвижном положении рабочего инструмента.

Q= Vтех. / (L + L1) (шт. /мин)

Данный класс технологических процессов характеризуется высокой производительностью и возможностью сравнительно легкой автоматизации. Применяется этот класс для массового изготовления мелких и средних деталей с достаточно высокой точностью.

К третьему классу относятся процессы, в которых обработку осуществляют при непрерывном движении и изделий и инструмента в одном транспортном потоке. Эти процессы обычно осуществляют на машинах роторного типа. Этот класс характеризуется тем, что изделия в процессе обработки (сборки) совершают непрерывное перемещение от загрузочной позиции к позиции съема.

Производительность его рассчитывается по формуле:

Q= Vтр. / (L + L1) (шт. /мин)

где: Vтр. - скорость транспортирующего движения (окружная скорость рабочего или транспортного роторов в м / мин. берется по линии расположения на них обрабатываемых изделий).

L - Длина изделия, м.

L1 - расстояние между изделиями в направлении транспортирующего движения, м.

Точность данных процессов ниже процессов первого класса. Это обусловлено тем, что технологический процесс выполняется при непрерывном движении изделия (в этом случае на точность влияют кинематические погрешности) и что жесткость роторного оборудования меньше, чем оборудования дискретного действия. Но, используя самоустанавливающие системы, может быть достигнута такая же точность.

4.2.2 Методологические особенности проектирования автоматизированного технологического процесса

Принципы проектирования технологических процессов для обычного и автоматизированного производства одни и те же. Нет такого резкого различия между этими двумя видами производства. Проектирование технологических процессов для условий автоматизации характеризуется различной степенью углубленности выполняемых разработок. Степень углубленности разрабатываемых технологических процессов зависит от следующих факторов или поставленных задач:

1. Проектирование технологии для нового завода с комплексной или интегрированной автоматизацией производства.

2. Проектирование автоматизированной технологии при реконструкции завода или постановки производства новых изделий.

3. Проектирование технологии для частного случая автоматизации действующего производства.

До начала разработки технологического процесса автоматизированного производства необходимо произвести:

1. Технико-экономическое обоснование автоматизации.

2. Собрать конструкторские и технологические сведения об изделии и данные по экономики его производства на родственных предприятиях.

3. Оценить технологичность конструкции для автоматизированного производства, при необходимости доработать. На основе анализа полученных данных принимается решение об автоматизации.

Технологические процессы автоматизированного производства должен удовлетворять следующим требованиям:

1. Разработан так, чтобы заданные производительность и качество выпускаемой продукции обеспечивались с минимальным влиянием обслуживающих оборудование рабочих.

2. Технологический процесс должен быть стабилен во времени, а применяемое оборудование допускать возможность быстрой переналадки.

3. Для ускорения и удешевления подготовки производства при выборе варианта технологического процесса и применяемого оборудования принимают проверенные типовые решения.

4. При построении технологического процесса желательно шире осуществлять принцип концентрации переходов.

5. Особое значение в условиях автоматизации приобретает непрерывность технологического процесса и сокращение цикла изготовления изделия.

6. При проектировании технологического процесса большое внимание уделяют вопросам автоматической ориентации деталей, их базированию, внутрицеховому транспортированию, комплексности построения технологического процесса и технического контроля, выполняемого без участия человека. Большое внимание следует обращать на автоматизацию вспомогательных операций.

Компоновка операций и технологического оборудования при автоматизации технологических процессов.

Одним из наиболее важных направлений повышения производительности труда в автоматизированном производстве является - агрегатирование. Принцип агрегатирования оборудования заключается в том, что в них концентрируются либо одноименные, либо те и другие вместе. В связи с этим различают три вида агрегатирования:

1. последовательное

2. параллельное

3. параллельно- последовательное (смешанное)

4.3 Последовательное агрегатирование

Последовательное агрегатирование применяется для сложных и трудоёмких работ, требующих последовательной обработки различными инструментами. При этом всю обработку дифференцируют, разбивая на группы операций. Стремясь к их одинаковой продолжительности располагая их в различных позициях в принятой технологической последовательности. Обработка ведётся во всех позициях одновременно, изделие последовательно проходит через все позиции и обрабатывается в них различными группами инструментов согласно технологическому процессу так, что в обработке одновременно находится число деталей = числу позиций.

Рисунок 8-Принципиальная схема оборудования последовательного агрегатирования с линейным и круговым расположением позиций

Рассмотрим производительность последовательно агрегатированного оборудования или автоматные линии, сравнивая её производительность с производительностью группы независимо работающих станков в потоке при одинаковых технологических процессах.

Производительность группы независимо работающих станков (ломаная линия) рассчитываемая по формуле

где: t х - время холостого хода рабочего цикла станка.

t n = t e + E C n - внецикловые потери одного станка.

t c - потери по станку (3 вида) одной позиции обработки.

E C n - потери по инструменту (2 вида) одной позиции обработки.

t p - время рабочего хода станка.

где: K - технологическая производительность цикла (одной позиции).

K0 - технологическая производительность всего процесса до его дробления.

q - Количество последовательно расположенных станков (позиций), на которых осуществляется технологический процесс.

Суммарные потери по инструменту всего процесса обработки, как и технологическая производительность, зависят лишь от объема и режимов обработки и поэтому для данного процесса являются постоянной величиной.

Если технологический процесс равномерно дифференцирован по позициям, то



В металлообработке внецикловые потери очень велики и поэтому число позиций целесообразно выбирать небольшим и наоборот в полупроводниковом и электровакуумном машиностроении, многопозиционные автоматы имеют число шпинделей 24, 36, 48 и больше. Это объясняется более легкими условиями работы - обработка без снятия стружки, с малыми рабочими усилиями и следовательно малой величиной внецикловых потерь.

4.3.1 Параллельное агрегатирование

Параллельное агрегатирование применяется для простых работ, где дробление операций нецелесообразно. При этом одна и та же операция осуществляется в нескольких позициях одновременно над таким же числом деталей. Параллельное агрегатирование является по существу объединением нескольких одинаковых исполнительных механизмов в одном автомате.

Машины параллельного агрегатирования имеют несколько вариантов компоновки.

1, 2, 3, . . . P - число параллельных позиций

Рисунок 9 - Схема параллельного агрегатирования

1. Машина с расположением рабочих шпинделей по окружности. Такая компоновка более компактна.

2. Простейшая машина с линейным расположением шпинделей. Недостатком обоих вариантов является то, что при ручной загрузке машины ее нельзя пустить, пока все заготовки не будут заменены, что увеличивает простой.

В целях повышения производительности применяют машины со сдвигом фаз обработки.

1. Машины с вращающимся центральным распределительным валом. При вращении распредвала циклы обработки на всех шпинделях смещаются по фазе.

Пример: Если на одной позиции загрузка, то на другой зажим, на третьей обработка и т.д.

Неудобство в том, что при ручной загрузке рабочий вынужден ходить вокруг станка одновременно с вращением распредвала, так как зона загрузки меняется, следуя вращению кулачка.

2. Машина с непрерывным вращением стола и неподвижным центральным распредвалом - роторные машины.

Роторный принцип работы получил широкое распространение, так как обработка деталей производится при непрерывном вращении стола, а загрузка деталей - всегда в одной зоне. Недостаток такой компоновки - наличие холостого пространства в центре машины, особенно при большом количестве позиций, расположенных по окружности. Для устранения этого недостатка применяется конвейерная компоновка.

При анализе производительности машин параллельного агрегатирования необходимо учитывать влияние тех же факторов, что и при последовательном агрегатировании.

При параллельном агрегатировании время обработки детали в одной позиции не меняется, следовательно: K = K0 ; tp= tp0

Суммарные внецикловые потери возрастают в P раз, т.к P рабочих позиций имеют P комплектов инструментов и P одинаковых механизмов. Поэтому.

Е t n= p ( t e + E C I )

Учитывая формулу 4.24, производительность машин параллельного агрегатирования можно выразить формулу

В том случае если имеется группа из P однопозиционных машин работающих параллельно, производительность увеличивается в P раз, т.к. потери машины сохраняются на прежнем уровне. Поэтому производительность группы независимо работающих машин определяется по формуле

Рост производительности замедляется, а симптонически приближаясь к некоторому пределу, величину которого можно определить при условии p

Таким образом, при параллельном агрегатировании производительность машин зависит от внецикловых потерь, и она тем больше, чем меньше эти потери.

4.3.2 Параллельно - последовательное (смешанное) агрегатирование.

Смешанное агрегатирование является комбинацией параллельного и последовательного агрегатирований. Машина, работающая по этой схеме, состоит из P параллельных потоков с Q последовательными рабочими позициями для каждого потока.

Рисунок 10- Схема параллельно - последовательного агрегатирования

Такое комбинированное совмещение рабочих операций приводит к еще большему увеличению производительности машин. Машины со смешанным агрегатированием могут быть выполнены по разным конструктивным схемам.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 11-. Варианты смешанного агрегатирования с расположением рабочих позиций по окружности

На оборудовании смешанного агрегатирования на обработку поступает одновременно P деталей, каждая из которых проходит q последовательных операций обработки. Следовательно, технологическая производительность оборудования равна: K= K0q.

Суммарные внецикловые потери составляют

Подставляем эти значения в формулу

Приведенная формула производительности смешанного агрегатированного оборудования является наиболее общей.

При р=1, получаем машину с последовательным агрегатированием,

При q=1, получаем машину с параллельным агрегатированием.

Автоматические линии смешанного агрегатирования в отличие от многопозиционных машин часто имеют независимые потоки, число которых не влияет на величину внецикловых потерь. Поэтому внецикловые потери автоматических линий определяются только потерями последовательно сблокированных станков одного потока.

Поэтому производительность такой автоматической линии определяется формулой

Таким образом, на основании приведенных формул и кривых, можно дать предварительный анализ ожидаемой производительности любого многопозиционного автомата или автоматической линии.

Еще до проектирования новой техники, следует заранее проанализировать внецикловые потери основных механизмов и разработать методы сокращения этих потерь. Такой подход дает возможность создавать высокопроизводительную агрегатированную систему машин.

5. Системы автоматического управления

5.1 Основы теории автоматического управления и регулирования

5.1.1 Понятия об автоматическом управлении и регулировании

Под управлением понимают такую организацию процесса, которая обеспечивает заданный характер протекания процесса. При этом сам процесс является объектом управления, а переменные, характеризующие состояние процесса, называются управляемыми переменными или управляемыми величинами. Если управление объектом осуществляется без участия человека, то такое управление является автоматическим. Автоматическое управление в общем случае должно обеспечить любые законы протекания управляемого процесса, т.е. любые режимы работы объекта управления.

Если автоматическое управление призвано обеспечить изменение (поддержание) управляемой величины по заданному закону, то его называют автоматическим регулированием.

Следовательно, автоматическое регулирование можно рассматривать как частный вид автоматического управления.

Совокупность технических устройств, обеспечивающих автоматическое регулирование, является автоматической системой регулирования (АСР). Любая АСР может быть представлена как совокупность технологического объекта управления (ТОУ) и регулятора (или нескольких регуляторов). Воздействия, прикладываемые к регулятору для обеспечения требуемых значений управляемых величин, являются управляющими воздействиями. Управляющие воздействия называют также входными величинами, а управляемые - выходными величинами. Физические элементы, к которым прикладываются входные величины, служат входами, а физические элементы, в которых наблюдается изменение управляемых переменных - выходами.

5.1.2 Автоматическая система и ее структура

Система автоматического управления представляет собой совокупность объектов управления (ОУ) и устройств управления (УУ). (ОУ) может быть физическое тело, устройство и система применительная к производственным объектам.

1. Рабочие органы технологических машин

- манипуляторы

- шпиндели

- столы

- суппорты и т.д.

2. Технологическая машина или станок в целом.

3. Система технологических машин.

- складские

- транспортные

- промышленные роботы.

УУ - это совокупность средств механизмов обеспечивающих процесс управления. Для осуществления процесса управления ОУ должен иметь управляющее устройство

Это:

- качество покупных материалов.

- неравномерность припусков и твердости поверхностного слоя.

- колебание напряжения и т.д.

УУ

x(t) u(t)

Рисунок 12 - Схема УУ

Рассмотрим все элементы системы УУ. ЧЭ - служит для измерения задающего воздействия x(t). УПУ - усилительно - преобразовательное устройство формирует алгоритм управления. То есть производится сравнение информации о действительном и желаемом состоянии объекта и выполняет необходимые математические и логические операции по выработке управляющего сигнала.

ИМ - исполнительный механизм приводит в движение управляющий орган, оказывающий управляющее воздействие u(t) на объект управления.

Основные требования, предъявляемые к УУ производственными процессами:

1. Обеспечение заданной точности управляющих параметров.

2. Обеспечение быстродействия процесса управления.

3. Обеспечение устойчивости и заданной производительности процессов управления.

4. УУ должно легко переналаживаться и обеспечивать ручное и автоматическое управление.

5.1.3 Классификация автоматических систем управления

Рисунок 13- Классификация автоматических систем

САУ по способу противодействия влияния внешних возмущающих факторов, ухудшающих работу САУ, подразделяются на обыкновенные и адаптивные.

Обыкновенные имеет неизменную структуру САУ постоянный алгоритм управления и постоянные коэффициенты передачи. При изменении внешних условий работы, качество управления таких САУ существенно изменяется.

Адаптивные - автоматически приспосабливаются к внешним условиям работы и к изменениям свойств объектов. Они могут улучшать свою работу по мере накопления опыта, т.к. имеют в своем составе кибернетические устройства и даже менять структуру САУ.

По принципу формирования управляющего воздействия, поступающего на управляющий орган САУ, обыкновенные делятся на системы: разомкнутого, замкнутого и комбинированного типов. На рисунке 14 приведена структурная схема САУ разомкнутого типа, в которой для выработки управляющего воздействия используется информация о цепи управления, а действительное значение регулируемой переменной не контролируется. Также имеются две разновидности САУ разомкнутого типа:

1. - когда управление производится по заранее рассчитанной программе x(t). Это управление от кулачков, упоров, командоаппаратов с шаговыми двигателями - эти САУ наиболее простые и широко применяются в технологическом оборудовании.

Точность управления их зависит от точности исполнения кулачков, упоров.

2я - когда управление формируется по измерению возмущающего воздействия f(t).

САУ замкнутого типа работают по принципу обратной связи. Комбинированная САУ - здесь используется одновременно принцип по возмущению и управлению.

По характеру управляющего воздействия системы АУ с одной управляемой величиной подразделяются на 3 типа:

1. Системы автоматической стабилизации.

2. Системы программного управления.

3. Следящие системы.

В системах автоматической стабилизации управляющее (входное) воздействие не изменяется во времени. Такая система отрабатывает возникающие отношение регулируемой величины от заданного. Именно такое регулирование обеспечивается в АСР.

В системах программного управления управляющее (входное) воздействие изменяется во времени по заданному закону. Такие системы применяются для управления процессами, характер протекания которых известен.

В следящих системах характер изменения управляющего воздействия определяется процессами, происходящими вне системы, и поэтому характер воздействия не может быть определен. Эти системы используются для обработки возмущений, характер которых неизвестен заранее. Пример: копировальные системы.

По глубине приспосабливаемости адаптивные системы подразделяются на:

- самонастраивающиеся

- самоорганизующиеся

- самообучающиеся

Самонастраивающиеся - имеют простую структуру, но в зависимости от изменения внешних условий изменяется коэффициент передачи звеньев, а, следовательно, изменяется управляющее воздействие.

Самоорганизующиеся - в зависимости от изменения внешних условий они изменяют свою структуру, т.е. добавляются отдельные звенья.

Самообучающиеся - в процессе управления изменяется не только структура САУ, но и алгоритм управления по которому они построены.

Системы стабилизации, компенсации, оптимизации - это вспомогательные системы, которые работают в комплекте с другими системами.

Системы стабилизации - поддерживают постоянство регулируемого параметра при изменении условий протекания процесса. Системы компенсации - эти системы автоматически изменяют регулируемый параметр по заданному закону.

Системы оптимизации - обеспечивают оптимальное выполнение процесса при различных условиях его протекания.

Если входная или выходная информация задаётся в вид аналога уровня напряжения, силы тока, то это аналоговая САУ.

Если информация задаётся по следованию импульса - импульсные системы. Достоинством импульсных систем САУ является точность управления.

Смешанные САУ - это комбинация аналоговых и импульсных систем.

Пример. Электронный датчик (аналоговая система), управляемый от импульсной системы.

Сложность современных автоматических систем не позволяет дать их однозначную классификацию, т. к. ряд классификационных признаков оказывается присущим САУ различных типов. С другой стороны, классификация способствует выработке методов изучения систем, объединенных общими признаками.

Мы рассмотрели лишь некоторые признаки, по которым можно классифицировать системы АУ.

5.1.4 Основные принципы регулирования, управления

Качество АСР в значительной степени определяется тем, какие принципы реализованы в системе. Принцип регулирования определяет способ формирования управляющего воздействия в АСР.

Современные системы АР конструируются исходя из следующих трех принципов.

1 - регулирование по отклонению регулируемой величины от заданного значения (принцип Ползунова - Уатта или принцип регулирования по отклонению).

2 - регулирование по возмущению (по нагрузке).

3 - комбинированное регулирование.

1. При регулировании по отклонению управляющее воздействие возникает вследствие отклонения регулируемой величины от заданного значения, передающегося на вход системы по цепи обратной связи.

ЭС f(t)

x (t) e(t) u(t) y(t)

УУ ОУ

ОС

Рисунок 14- Схема АСР с отрицательной обратной связью

В этой системе реализуется принцип управления по отклонению. ЭС - элемент сравнения. В этой САУ реализуется измерение и контроль элементом сравнения отклонения управляемой переменной u(t) от задающего воздействия x(t). Это отклонение e(t) подается на вход УУ, и оно вырабатывает управляющее воздействие u(t) в зависимости от величины e(t) и устраняет ошибку управления. e(t) = y(t) - x(t) 5-1

Достоинством этих систем является, то, что в них процесс регулирования возникает независимо от причины, вызывающей изменение регулируемой величины. Действительно, возмущение любой природы, приложенное в любой АС, в конечном счёте, проявится в отклонении выходной величины.

Недостатком регулирования по отклонению - это инерционность процесса регулирования, обусловленная тем, что обычно проходит определенное время от момента приложения возмущения к системе до того момента, когда накопиться отклонение регулируемой величины, достаточное для воздействия на регулятор.

Рисунок 15- Принцип управления по возмущению

Принцип управления по возмущению (по нагрузке), состоит в том, что осуществляется измерение возмущения и при отклонении возмущения от некоторого обусловленного значения в системе возникает управляющее воздействие, реализуемое так же, как в системах регулирования по отклонению.

Достоинством этой системы является быстрая реакция системы на изменения нагрузки.

Недостатки:

1. Действительное значение выходной переменной y(t) - не контролируется.

2. Процесс регулирования начинается лишь при изменении того возмущения, на измерение которого настроена эта система. Другие возмущения вызывающие отклонения регулируемой величины не будут.

ЭС ЧЭ f(t)

x (t) e(t) u(t) y(t)

УУ ОУ

ОС

Рисунок 16 - Схема АС с комбинированным регулированием

Эта структурная схема имеет разомкнутой контур форсирования компенсации возмущающего воздействия и замкнутый контур системы с обратной связью для устранения возникающих ошибок управления (регулирования).

В АС с комбинированным регулированием используются оба принципа регулирования и по отклонению и по возмущению, такие системы объединяют в себе достоинства, обуславливаемые обоими принципами регулирования.

5.1.5 Относительная погрешность управления при регулировании по отклонению.

Относительную погрешность управления рассмотрим на примере. САУ скоростью вращения двигателя постоянного тока, используемого в качестве привода шпинделя технологических автоматов с бесступенчатым регулированием скорости вращения.

ЭС У Д

ЗЭ п(зн) ?п К И КД пфакт

ЧЭ

птг Ктг

Рисунок 17 - Принципиальная схема САУ

ЗЭ - задающий элемент, превращающий заданное значение (пзн. - скорости вращения оборотов двигателя) в соответствующий сигнал напряжения (И), того же типа, что и у чувствительного элемента. ЧЭ - чувствительный элемент, ТГ - тахогенератор, преобразующий регулируемую величину (поб.) в соответствующий сигнал (И).

Кт.г. - коэффициент передачи тахогенератора (это зависимость между входной и выходной величинами в состоянии равновесия).

птг - скорость вращения тахогенератора.

птг= поракт* Ктг

Э.С - элемент сравнения в нем происходит вычитание из сигнала задающего элемента сигнал чувствительного элемента. Для производства сигнала вычитания обратная связь должна быть отрицательная.

?п. = пзн. - птг

У - усилитель, с помощью которого сигнал отклонения ?п усиливается до величины достаточной для управления исполнительным элементом.

И = ?п* К (К - коэффициент усиления).

Д - двигатель постоянного тока, превращающий управляющий сигнал в скорость вращения вала.

пфакт. = И * Кдв.

пзн. = ?п + птг. =?п + пфакт. * Ктг = ?п + И * Кдв. * Ктг. = ?п + ?п * К* Кдв * Ктг

пзн. = ?п(1 + К* Кдв.* Ктг)

Аналитическая зависимость 5.2 показывает, что с увеличением коэффициента усиления усилителя

относительная погрешность управления уменьшается, и поэтому в САУ применяются усилители с большим коэффициентом усиления.

5.1.6 Обратная связь в системах управления

Для улучшения динамических свойств систем регулирования применяют обратную связь.



Рисунок 18 - Принципиальная схема САУ с ОС

В схеме при втором включении жесткой обратной связи последнее постоянно подает на вход, охваченного ею звена, сигнал, по величине пропорциональный сигналу на выходе.

?X = Хвх. ± Х2

где: + - положительная обратная связь

- - отрицательная обратная связь

Разделим выражение 5-3 на Хвых.

где:

W - Зависимость между входной и выходной величинами в процессе управления.

10-4: положительная обр. связь

 отрицательная обр. связь

Предположим, что К1- звено с коэффициентом передачи равным 10.

К2	0	0.01	0.05	0.08	0.09	0.1
Wn	10	11	20	50	100	?

При охвате звена управления положительной обратной связью передаточная функция его возрастает, и звено управления превращается в неустойчивое.

Выходная величина будет быстро расти по экспоненте. Возрастает ошибка управления, возникает нелинейный процесс, который приведет к выходу системы управления из строя.

К2	0	0.01	0.05	0.1	1
W0	10	9.9	6	5	1

При охвате звена управления отрицательной обратной связью передаточная функция его уменьшается. Это позволяет стабилизировать систему, делает ее более устойчивой. Недостаток: уменьшение коэффициента усиления, снижает статическую точность САУ. Достоинство: отрицательная обратная связь применяется для измерения выходной величины.

5.2 Показатели качества автоматических систем

Основными показателями качества АС является:

1. устойчивость

2. быстродействие

3. коэффициент передачи

4. установившаяся ошибка управления.

Рассмотрим некоторые. Среди типовых воздействий, применительно к которым формируется показатели качества переходных процессов АСР, чаще всего используется воздействие в форме единственного станка на входе системы. Такое воздействие отражает ряд характерных режимов эксплуатации АСР (пуск системы, резкое возрастание нагрузки и т.п.).

1- колебательный процесс неустойчивый

2- колебательный процесс устойчивый

3- монотонный переходный процесс

4- колебательный процесс без пере регулирования.

Обратимся к АСР, на вход которой подано воздействие в виде единичного скачка

В зависимости от свойств системы выходное значение будет изменятся по некоторому закону.

Кривая 1 характеризует неустойчивый, расходящийся переходный процесс. АСР имеющая такой переходный процесс, не отвечает основному требованию устойчивости.

Под устойчивостью АСР принимают способность системы, выведенной из равновесного состояния, с течением времени вновь прийти в равновесное состояние, т.е. в состояние, при котором выходная величина отличается от заданной не более как на допустимую величину ошибки.

Система, не отвечающая требованием устойчивости, не пригодна к эксплуатации и должна быть стабилизирована.

Показатели качества динамических режимов в устойчивых АСР рассмотрим на примере колебательного переходного процесса. К этим показателям относятся: время переходного процесса, максимальное перерегулирование, колебательность.

Время переходного процесса, представляет собой отсчитываемое от начала приложения типового воздействия время, в течение которого установится такое значение выходной величины , которое будет отличатся от заданного не более как на величину допустимой ошибки.

Максимальное пере регулирование- определяет максимальное отклонение регулируемой величины от ее установившегося значения в течении времени переходного процесса. Значение максимального регулирования определяется в % от установившегося значения регулируемой (выходной) величины.

Колебательность определяется числом полных колебаний выходной величины около установившегося значения в течение времени переходного процесса.

Для характеристики переходных процессов, обусловленных непрерывными быстро меняющимися воздействиями, вводится также понятие динамической точности системы, определяющей динамическую ошибку регулирования. Количественной оценкой точности служит среднеквадратичная ошибка, представляющая собой положительный квадратный корень выражения

Где: М- символ математического ожидания

-фактическое значение выходной величины

x(t) - желаемое значение выходной величины.

Быстродействие определяется по времени переходного процесса, или по величине регулирования Тр.

Для анализа качества САУ часто применяют частотный метод, который базируется на различных частотных характеристиках представляющих собой реакцию системы на гармонически меняющийся сигнал.

Типовыми электронными блоками.

Электронная модель имеет ту же физическую природу, что и реальная САУ, она описывается теми же дифференциальными уравнениями, но отличается от реальной, масштабом и мощностью

5.3 Элементы и устройства САУ

5.3.1 Первичные измерительные преобразователи (датчики)

Датчиком (чувствительным или измерительным инструментом) называют устройство, служащее для восприятия определённой информации, поступающей на его вход в виде контролируемой им физической величины и преобразующее эту величину в другую, появляющуюся на выходе в виде сигнала (импульса, команды), удобного для дальнейшей обработки и дистанционной передачи.

В общем виде датчик можно представить в виде чувствительного элемента и преобразователя.

Датчик

Рисунок 19 - Принципиальная схема датчика

ЧЭ - предназначен для преобразования контролируемой величины Х в такой вид сигнала Х1, который удобен для измерения

Входная величина Х это чаще всего неэлектрическая контролируемая величина (линейное перемещение части станка, температура, сила в гидро- или пневмосистеме, размер детали, скорость и т.п.).

Выходной сигнал У - преобразованная величина чаще всего электрического, гидравлического, пневматического, механического и др. типов.

П. Измерение давления электроконтактным манометром.

Х - давление

Х1 - перемещение мембраны или стрелки

У - изменение электрического сопротивления

Рассмотрим общие характеристики датчиков, необходимые для их подбора при автоматизации процессов.

- статическая характеристика

- инерционность

- чувствительность

- порог чувствительности

- погрешность

Статистическая характеристика- зависимость выходной величины х т.е.

Всегда желательно, чтобы зависимость была линейная. Если зависимость нелинейная, то выбирают участок кривой и ограничивают действие этого датчика величинами входных сигналов от до

Электрокантактный датчик мод 233 имеет предел измерения от 0 до 0,4 мм мод 228 от 0 до 1 мм инерционность- характеризуется отставанием изменения выходной величины У от изменений входной величины Х.

Чувствительность- динамическая чувствительность или динамический коэффициент преобразования показывает, во сколько раз приращение выходной величины больше приращение входной величины т.е.

Чем датчик чувствительнее, тем легче производить измерение малых входных величин.

Порог чувствительности- наименьшее значение входного сигнала, которое вызывает приращение выходного сигнала.

порог чувствительности

- зона нечувствительности.

Погрешность- изменение входного сигнала, возникающее в результате изменения внутренних свойств датчика или изменение внешних условий его работы. Следует отметить, что в результате изменения погрешности изменяется характеристика датчика.

Различают следующие виды погрешности:

1. абсолютная

2. относительная

3. приведенная.

Абсолютной погрешностью называют разность н/у фактическим значением выходного сигнала и его расчетным значением

Относительной погрешностью называют отношение абсолютной погрешности к расчетному значению выходного сигнала.

или

Приведенной погрешностью называют отношение абсолютной погрешности к минимальному значению выходного сигнала, определяющему диапазон его изменения.

или

Датчики, используемые в технологическом оборудовании, делят:

1. по характеру выходного сигнала - на электрические, фотоэлектрические, пневматические, гидравлические.

2. по назначению - путевые, размерные, силовые, скоростные и др.

5.3.2 Путевые датчики

По принципу действия путевые датчики бывают механические, электрические, гидравлические и пневматические.

Механические - к ним относится кулачки и упоры. Кулачки, имеющие определенный профиль; расположены на валу и посредством механической передачи связаны с движущееся частью станка. Благодаря силовому замыканию м/у кулачками и движущейся частью (суппортами) траектория движения этой части соответствует профилю вращающемуся кулачка. (станок АWB-16).

Упоры со стальными закаленными рабочими поворотами закрепляют на неподвижных частях станка (станине). При соприкосновении с упором подвижная часть станка останавливается. Точность остановки составляет 0,1-0,002 мм, в зависимости от массы подвижной части, её скорости, жесткости системы и быстроты срабатывания механизма отключения движения.

Электроконтактные путевые датчики используют в виде конечных выключателей, ограничивающих и прекращающих движение частей станка. Для них входная величина - перемещение движущейся части, действующей на шток выключателя. Штоки имеют различную конструкцию, которая обеспечивает прямолинейное и маятниковое (поворотное) движения.

В том случае шток осуществляет размыкание одних и замыкание других контактов. Поэтому скорость переключения неподвижных контактов зависит от скорости движения части станка, штока и подвижных контактов. Для нормальной работы такого переключателя скорость движения части станка должна быть более 6,6мм/с. При уменьшении скорости подвижные контакты перемещаются медленно, что приводит к длительному горению дуги, возникающей м/у размыкающимися контактами, и их быстрому разрушению из-за оплавления и усиленного окисления. Сама дуга затягивает процесс размыкания электроцепи, что приводит к запаздыванию срабатывания датчика.

а) б)

Рисунок 20 - Схема установки путевых переключателей

а) параллельно движению; б) перпендикулярный движению

Для надёжной работы шток датчика 2 должен располагаться по линии движения упора 1 или под углом к ней.

Гидравлические и пневматические датчики.

В гидравлической системе рабочей жидкостью чаще всего служит масло, поэтому выходной сигнал у гидравлических датчиков - это величина расхода или давления масла. Датчик получая на входе информацию в виде перемещения упора, превращает её в выходной сигнал в виде включения или изменения направления потока масла.

П: направляющие гидравлические распределители, открывающие или перекрывающие канал, подводящий масло.

Пневматические путевые датчики используют в виде направляющих пневмораспределителей, служащих для изменения направления воздуха, подаваемого по пневмолинии к исполнительному звену.

П: распределительный кран.

5.3.3 Размерные датчики

Размерные датчики предназначены для контроля линейных размеров деталей и сборочных единиц.

По характеру работы датчики подразделяются на две группы:

- контактные

- бесконтактные

В датчиках контактного типа измерительные органы в виде наконечника или щупа прижимаются к поверхности измеряемой детали, т.е. контактируют с деталью. Наиболее широкое распространение получили электрокантактные, индуктивные и пневмоэлектрические размерные датчики.

Электрокантактным называется датчик, в котором механическое перемещение преобразуется в замкнутую или разомкнутое состояние контактов, управляющих электрическими цепями.

Электроконтактными датчиками в основном контролируют предельные размеры изделия. В зависимости от назначения применяют одно, двух и многопредельные электромагнитные датчики. Наиболее часто применяются двух предельные датчики. Они имеют две пары контактов и могут разделить измерение детали на три группы:

1. годные

2. брак «+»

3. брак «-»

Применяют рычажные и безрычажные электроконтактные датчики. Рычажный датчик имеет передаточный механизм, обычно в виде неравноплечего рычага, который увеличивает перемещение контактов по сравнению с перемещением измерительного штока.

В безрычажных датчиках перемещение контактов равно перемещению измерительного штока.

Электрокантактные датчики применяют для:

1. контроля размеров при обработке деталей

2. сортировки деталей на размерные группы

3. контроля погрешностей формы и относительного положения поверхностей.

Достоинства электроконтактных датчиков:

1. простота конструкции

2. датчики можно включать непосредственно (без реле в управляющую цепь)

3. сравнительно высокая точность контроля до 1-2 мкм

4. достаточно высокая производительность от 1 до 10000 дет/час

Недостатки:

1. обгорание контактов, что влечет за собой их периодическую чистку и регулировку

2. не позволяет определить действительный размер детали

Размещено на Allbest.ru