Управление техническими системами

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА (МИИТ)» (РУТ (МИИТ)

Кафедра «Транспортное строительство»

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине

Управление техническими системами

Выполнил Соловьев С.А.

Доцент Турбин А.Н. Уч. Шифр 1440-цНСс-0065

Москва-2019

Раздел 1. Основы автоматизации рабочих процессов строительных машин, технические средства автоматизации

1.1 Общие принципы построения и функционирования автоматических систем управления машинами и технологическими процессами

Механизация. Автоматизация. Автоматика. Роботизация

Любой производственный процесс направлен на создание средств производства и предметов потребления. Он представляет собой скоординированное воздействие энергии на различные вещества для получения заданной продукции. Уровень развития средств производства характеризуется механизацией и автоматизацией производства

Механизация -- это замена ручного труда человека механизмами и машинами, осуществляющими механические рабочие движения.

Механизация может быть частичной и комплексной.

Производственный процесс считают частично механизированным, если механизированы лишь отдельные (обычно основные) его операции, и комплексно-механизированным, если в нем не только все основные, но и вспомогательные трудоемкие операции выполняются посредством правильно выбранных машин, механизмов и оборудования, обеспечивающих высокую производительность всего процесса и наилучшие технико-экономические показатели.

При механизации механизмы и машины облегчают физические усилия человека, но человек не может отойти от них, т.к. направляет их работу. Производительность механизмов и машин зачастую ограничивается физическими возможностями человека.

Примером комплексной механизации может служить процесс сооружения железнодорожного земляного полотна комплектом специально подобранных землеройно-транспортных машин в составе экскаватора, автомобилей-самосвалов, бульдозера и автогрейдера.

Устройство, машину, агрегат, производственный процесс называют автоматическим, если они выполняют свои основные функции самостоятельно, без вмешательства человека.

Автоматизация - это более высокая стадия развития производства, при которой человек освобождается не только от тяжелого физического труда, но и от оперативного управления производственными процессами или механизмами. Ему остаются лишь функции включения, контроля и периодической наладки автоматического устройства, работающего по определенной программе.

При автоматизации резко возрастают скорость и точность выполнения операций, что приводит к повышению производительности труда и оборудования; облегчаются условия труда, обеспечивается его безопасность; создаются оптимальные условия для работы машин, что уменьшает износ их узлов и деталей и позволяет осуществлять более рациональные технологические процессы; уменьшается роль субъективных факторов отдельных людей в технологическом процессе; повышается качество выпускаемой продукции, значительно снижается ее себестоимость и т.д.

Автоматизация позволяет также управлять процессами, которыми человек непосредственно управлять не может ввиду их вредности или отдаленности.

Автоматизация непосредственно и неразрывно связана с такой формой организации производства, при которой стираются грани между умственным и физическим трудом.

Автоматизация, как и механизация, может быть частичной и комплексной, а также полной.

Частичная автоматизация предполагает автоматизацию лишь отдельных операций или машин, агрегатов и оборудования, участвующих в едином технологическом процессе. Например, применение при балластировке железнодорожного пути автоматических шпалоподбивочных машин, работающих в едином комплекте с другими неавтоматическими машинами (тракторами, моторными домкратами).

При комплексной автоматизации не только отдельные операции или участки технологических линий, но и технологические процессы в целом, т.е. от получения сырья до выхода готовой продукции, осуществляются автоматически. Например, процесс изготовления железобетонных шпал может считаться комплексно-автоматизированным, если все его операции (от разгрузки заполнителей бетона, цемента, арматуры и других материалов до получения готовых шпал) выполняются автоматически, причем качество бетона, производительность комплекса и другие технико-экономические показатели соответствуют заданным. При полной автоматизации даже пуск и остановка производства осуществляются без участия человека.

Автоматика -- это область науки и техники, которая занимается вопросами теоретического развития и практического применения автоматических систем и необходимых для них технических средств.

Роботизация -- это высшая стадия автоматизации, характеризуемая применением роботов и робототехнических систем (комплексов).

1.2 Определение и классификация систем автоматического управления

Система автоматического управления (САУ) -- это комплекс устройств, обеспечивающих автоматическое изменение ряда характеристик объекта управления с целью установления желаемого режимы его работы.

Системы автоматического управления можно разбить на две основные группы (Рис. 1.1): обыкновенные и самонастраивающиеся.

Обыкновенные САУ подразделяются на разомкнутые и замкнутые. В разомкнутых системах управляющее устройство связано с объектом управления одним каналом связи. В замкнутых системах за счет обратной связи управляющее воздействие формируется на основе информации о существующем и требуемом состоянии объекта управления.

Разомкнутые САУ подразделяют на системы автоматического контроля, системы компенсации и программного управления.

Системы автоматического контроля (САК) обеспечивают регулярное получение информации о значении контролируемого параметра. В САК (Рис. 1.2, а) информация о значении рабочего параметра а объекта О воспринимается датчиком Д и через усилитель У передается на измерительный преобразователь ИПР.

Автоматический контроль производится с целью измерения, сигнализации, защиты, сортировки и учета. Поэтому по значению исполнительного органа системы автоматического контроля подразделяются на следующие виды: измерения; сигнализации; регистрации; защиты; сортировки и учета.

Автоматическое измерение обеспечивает показание и запись фактических значений контролируемых величин с помощью контрольно-измерительных приборов или контрольных ламп.

Рисунок 1.1 - Классификация систем автоматического управления

Автоматическая сигнализация обеспечивает подачу светового или звукового сигнала (или и того и другого вместе) при достижении контролируемом объектом предельных заранее установленных значений или в случае нарушения заданного режима работы машины или установки.

Автоматическая регистрация обеспечивает запись результатов измерения самопишущими приборами на движущейся бумажной ленте, диске и т.п. Такая запись показывает, как изменилось значение измеряемой величины за истекшее время. По этой записи можно судить о процессах, происходящих в контролируемом объекте, о расходе сырья, выпуске продукции; можно установить причины аварии оборудования и т.д. Так, наглядным примером автоматической регистрации расхода электроэнергии является электрический счетчик.

Иногда системы измерения, сигнализации и регистрации объединяют в одну систему, которая одновременно выполняет все эти функции.

Автоматический учет (сортировка) -- разновидность системы автоматического контроля, которая учитывает, отбраковывает или сортирует изделия производства по качественным или количественным признакам (размеру, массе и т.д.).

Рисунок 1.2 - Функциональные схемы систем автоматики:

а) -- схема автоматического контроля (измерения, сигнализации, регистрации, учета и сортировки); б) -- схема автоматической защиты; в) -- схема программного управления; г) -- схема замкнутой системы управления: О -- объект; Д -- датчик; У -- усилитель; ИПР -- измерительный преобразователь; ИП -- измерительный прибор; СУ -- сигнальное устройство; РУ -- регистрирующее устройство; ПС -- прибор сортирующий; А -- анализатор; СП -- сигнальный преобразователь; ИУ -- исполнительное устройство; УУ -- устройство управления; ЭС -- элемент сравнения; ЗУ-- задающее устройство

Автоматическая защита -- это процесс автоматического предотвращения аварийных отклонений в технологических процессах и обеспечения сохранности оборудования и безопасных условий труда.

Системы автоматической защиты (САЗ) подразделяют на системы, контролирующие состояние узлов и машин, и системы, контролирующие действия человека и предотвращающие нарушение им правил техники безопасности. В этих системах информация о состоянии объекта О (Рис. 1.2, б) от датчика Д поступает на анализатор А, на который также подается сигнал а2, соответствующий предельному значению параметра а. При определенном значении их рассогласования Да, усиленном усилителем У до Да1,, срабатывает сигнальный преобразователь СП, вызывая отключение (защиту) рабочего органа и включение световой или звуковой сигнализации.

Автоматическое регулирование -- это процесс автоматического поддержания какого-либо параметра на заданном уровне. При этом заданное значение может изменяться по какому-либо закону или быть постоянным.

Применение систем автоматического регулирования (САР) позволяет устранить влияние субъективных факторов на технологический процесс производства или на рабочий процесс строительных, дорожных и путевых машин и оборудования и тем самым повысить его эффективность.

В зависимости от рабочего процесса машины САР могут:

поддерживать регулируемую величину в течение процесса на некотором заданном уровне;

изменять регулируемую величину во времени по заранее установленному закону;

поддерживать регулируемую величину в заданном значении, когда это значение изменяется по закону, заранее неизвестному;

установить наиболее выгодный режим работы регулируемого объекта.

Системы программного управления обеспечивают соблюдение заранее заданной программы рабочего процесса. Управляющее устройство УУ (Рис. 1.2, в), получая задание -- программу П, через усилитель У и исполнительное устройство ИУ воздействует на рабочий параметр объекта О.

Простейшим программным устройством является переключатель, приводимый в движение с постоянной скоростью электродвигателем. Роль программного устройства часто выполняют также реле времени, последовательно включающиеся одно за другим и подающие импульс на выполнение очередных операций после отработки заданной выдержки времени.

В замкнутых САР обеспечивается заданный или оптимальный режим рабочего процесса, при этом управляющее воздействие формируется после сравнения действительного значения управляющего параметра с заданным. Информация а, о состоянии объекта О (Рис. 1.2, г) от датчика Д поступает на элемент сравнения ЭС, где сравнивается с заданным параметром а2, поступившим от задающего устройства ЗУ. В зависимости от значения и знака рассогласования Да информация через усилитель У поступает на исполнительное устройство ИУ, непосредственно воздействующее на объект регулирования О с целью уменьшения рассогласования Да.

В зависимости от закона изменения задаваемой величины а2(t) САР подразделяются на стабилизирующие, программные и следящие.

Стабилизирующие САР предназначены для поддержания постоянного регулируемого параметра. В них функция а2(t) является постоянной величиной. К таким системам можно отнести системы автоматической стабилизации уровня жидкости, температуры, давления, напряжения и т.д.

В программных САР регулируемая величина xвых(t) изменяется по определенному закону, который определятся задаваемой величиной а2(t) = f(t) как известной функции времени.

В следящих САР регулируемая величина xвых(t) следит за измененным задающего воздействия а2(t), характер изменения которого заранее не известен, т.е. а2(t) есть произвольная функция времени.

Примером системы компенсации является система автоматизации управления электроприводом (пуском, остановкой, переменой направления вращения, изменением частоты вращения), которая наиболее распространена среди систем управления. Здесь возмущающие воздействия на объект (броски тока) при помощи преобразующих элементов (реле тока) вызывают обратное (компенсирующее) действие на объект (снижение тока до минимального значения) по отношению к прямому возмущающему воздействию.

К особому классу автоматических систем следует отнести самонастраивающиеся системы, или системы экстремального регулирования. Эти системы корректируют собственные параметры на основании информации об изменении выходной величины, задающего и возмущающего воздействия (входной величины) и выбирают оптимальный режим работы.

Различают системы прямого действия, использующие энергию измерительного устройства, и непрямого действия, получающие питание от дополнительного источника энергии. По характеру формирования сигналов управления автоматические системы подразделяют на непрерывные и дискретные (импульсного и релейного действия).

Системы автоматического регулирования подразделяют также на статические, в которых значение регулируемой величины в установившихся режимах зависит от влияния внешних факторов (погрешность регулирования не равна нулю), и астатические, в которых погрешность регулирования стремится к нулю вне зависимости от возмущающего воздействия.

Ни одно организованное действие (в технологии, обществе, живой природе) не протекает без процесса управления. Наука об общих закономерностях процессов управления в природе и обществе на основе получения, переработки и использования информации называется кибернетикой.

Под информацией понимается любая совокупность сведений о событиях, объектах или явлениях. С позиций автоматики информация представляет собой совокупность необходимых сведений, которые используются для активного воздействия на систему управления. Данные об объекте становятся информацией только тогда, когда получают содержание и форму, пригодную для использования в процессе управления.

Совокупность объекта и элементов управления называется системой управления. Замкнутый поток информации называется контуром управления.

Системы управления формально характеризуются алгоритмом управления -- совокупностью элементарных (математических) операций, выполнение которых необходимо для достижения цели управления. При этом каждой элементарной операции соответствует реализующая ее часть системы -- элементарное звено. Основой классификации элементарных звеньев являются реализуемые ими элементарные операции -- характер зависимости выходной величины звена от входной.

1.3 Структурная и функциональная схемы измерительного устройства

Рассмотрим структурную схему электрического устройства для измерения неэлектрической величины -- давления (Рис. 1.3).

Измеряемое давление Др преобразуется в линейные перемещения l, затем (с помощью зубчатой передачи) в угловое перемещения ц, а с помощью потенциометра -- в изменения электрического сопротивления Rx/Ry. Таким образом, датчик Д преобразует изменение неэлектрической величины Др в электрическую -- изменение активного (омического) сопротивления. В измерительном устройстве ИУ изменения Rx/Ry вызывают соответствующие изменения токов I1/I2 и фиксируются прибором в виде углового отклонения его стрелки б(n), где n -- число делений шкалы, отражающее изменение давления. Такая цепь преобразования информации может быть записана в следующем виде:

Рисунок 1.3 - Структурная схема измерительного устройства

Однако структурная схема не отражает конструктивного исполнения устройства. Поэтому вводится понятие функциональной схемы, состоящей из отдельных функциональных блоков, выполняющих обособленные операции системы управления. Например, в рассматриваемой схеме измерения давления функциональная схема может состоять из трех функциональных блоков (Рис. 1.4): датчика Д; измерительного устройства ИУ и источника питания ИП.

В функциональной схеме датчик Д включает в себя три элементарных звена (см. Рис. 1.3): мембранный механизм (Дp > l), рычажный множительно-передаточный механизм (/ > ц) и реостатный преобразователь (ц > Rx/Ry). Измерительное устройство включает в себя два элементарных звена: магнитоэлектрический прибор (Rx/Ry > I1/I2) и измерительный механизм

Рисунок 1.4 - Функциональная схема измерительного устройства

(I1/I2 > б). В функциональной схеме добавляется новый блок-источник питания ИП, который также может включать в себя элементарные звенья (источник тока и преобразователь напряжения).

Условные графические и буквенно-цифровые обозначения в электрических схемах

В электрических схемах применяются условные графические и буквенно-цифровые обозначения, отражающие вид устройств, их подсоединение, направление и вид тока и другие данные.

Буквенно-цифровые обозначения предназначены для записи сведений об объекте и его частях, ссылок на соответствующие части объекта.

Буквенные коды элементов могут состоять из одной, двух и трех букв. При этом первая буква кода является обязательной. Опубликованные коды для наиболее распространенных элементов приведены в таблице 1.

Первая буква кода характеризует группы элементов, вторая и третья буквы отражают вид элементов в данной группе.

Например, буквой К обозначаются реле, контакторы, пускатели; двухбуквенные обозначения КА -- реле токовое, КН -- реле указательное и т.п.; трехбуквенное обозначение КСС -- реле команды включения, КСТ-- реле команды отключения и т.д. Кроме этого, применяются арабские цифровые и классифицирующие символы.

Условные графические обозначения элементов автоматики в схемах установлены серией ГОСТ, входящих в единую систему конструкторской документации (ЕСКД). В частности, ГОСТ 2.722-68 вводит обозначения электрических машин в схемах, ГОСТ 2.729-68 -- обозначения электроизмерительных приборов и т.д.

Таблица 1 - Коды наиболее распространенных элементов электрических схем

Раздел 2. Технические средства автоматизации

2.1 Чувствительные элементы автоматики и схемы электрических измерений

Классификация датчиков, применяемых в системе автоматики. Привести схему и описание действия одного из датчиков

Датчики классифицируют по нескольким показателям: физической природе входной и выходной величины, структуре и принципу преобразования, назначению.

В зависимости от физической природы входной и выходной величины различают электрические, механические, гидравлические, пневматические, акустические и тепловые датчики. Наибольшее распространение получили датчики с электрической выходной величиной.

По структуре преобразования различают следующие виды датчиков: с непосредственным преобразованием, когда осуществляется лишь одно преобразование (наибольшее распространение в системах автоматики получили датчики, преобразующие неэлектрические величины в электрические); с последовательным преобразованием, когда имеются функциональные промежуточные связи [чаще всего контролируемая величина предварительно преобразуется в электрическую величину другого вида (линейное или угловое перемещение) и затем в электрическую величину].

По принципу преобразования датчики, в которых неэлектрические величины преобразуются в электрические, можно разделить на параметрические и генераторные. В параметрических датчиках при изменении входной величины изменяется один из его параметров, чаще всего активное, индуктивное или емкостное сопротивление. Для работы такого датчика нужен дополнительный источник питания. В генераторных датчиках на выходе вырабатывается энергия одного вида при воздействии на входе энергии другого вида.

Датчики предназначены для измерения силы, давления, температуры, перемещения, скорости, ускорения, деформации, частоты и т.д. Кроме того, различаются контактные и бесконтактные датчики. В последнее время все большее распространение получают радиоактивные, ультразвуковые и фотоэлектрические бесконтактные датчики.

автоматический управление машина электрический

Классификация датчиков, применяемых в транспортном строительстве

Одним из наиболее распространенных датчиков скорости является тахогенератор, который представляет собой миниатюрный генератор постоянного или переменного тока с независимым возбуждением (Рис. 1).

Вал тахогенератора соединяют с валом, частоту вращения которого необходимо контролировать или измерять. Выходное напряжение тахогенератора, снимаемое с его щеток, пропорционально частоте вращения вала. При изменении направления вращения меняется полярность выходного напряжения.

Тахогенераторы широко применяются в системах автоматического управления электроприводами конвейеров, дозаторов непрерывного действия и при выполнении различных измерений.

Рис. 1. Тахогенератор

В качестве датчиков ускорения применяются пьезоэлектрические преобразователи, в которых используется прямой пьезоэффект.

2.2 Усилительные устройства, используемые в системах автоматики

Гидравлический усилитель

Широкое распространение в системах автоматического управления путевыми и строительными машинами получили гидравлические усилители (гидроусилители) в виде золотниковых распределителей.

Золотниковым распределителем (Рис.2) называют прецизионное механическое устройство, состоящее из специальной гильзы 1 с дросселирующими окнами и плунжерами 2, которое предназначено для перераспределения давления Рн (расхода) рабочей жидкости (масла), поступающей от насоса привода к распределителю по напорному трубопроводу.

Преобразование энергии масла, нагнетаемого насосом, основано на дросселировании его потока через рабочие окна золотникового распределителя. Посредством изменения проходных сечений окон при перемещении Х(t) плунжера золотника относительно его гильзы происходит изменение степени дросселирования масла и, следовательно, регулирование расхода и давления масла p1, и р2.

Рис. 2. Устройство золотникового гидравлического распределителя

Например, при перемещении плунжера 2 вправо на +х расход масла и давление увеличатся в левой полости золотника и оно по трубопроводу 5 увеличит давление p1 (уменьшит р2) рабочего цилиндра 6. В результате шток с поршнем 7 переместится вправо (на z), оказывая соответствующее давление N(t). Золотник имеет уплотнительные кольца 4.

Золотниковые распределители являются устройствами с переменными дросселирующими элементами. Дросселирование масла происходит на соответствующих парах рабочих кромок распределителя и сопровождается изменением скоростей и направления движения частиц масла, т.е. потерей энергии на участке деформации потока масла.

2.3 Управляющие приборы и исполнительные механизмы в системах автоматики

Электронные реле

Первые электронные реле состояли из электронного усилителя и электромагнитного реле, обмотка которого включена в выходную цепь усилителя. Благодаря усилителю мощность срабатывания электронного реле достигала 10-8…10-12 Вт. Основным достоинством электронных реле является то, что они реагируют на управляющие сигналы очень малой мощности.

Для широкого внедрения автоматического управления и вычислительной техники необходимы переключающие устройства релейного действия, обладающие свойствами электромагнитных реле, но не имеющие механических контактов, которые не обеспечивают быстродействия и надежности в работе. Таким переключающим устройством является бесконтактное электронное реле (триггер), отличающееся двумя состояниями равновесия. Каждому из этих состояний соответствуют устойчивые значения токов в цепях схемы. Подачей небольших управляющих напряжений можно заставить схему резко, скачком перейти из одного равновесного состояния в другое. Бесконтактные электронные реле практически не имеют инерции (время срабатывания их составляет 0,5…10 мкс).

Бесконтактные реле представляют собой двухкаскадные усилители постоянного тока с сильной положительной обратной связью (Рис. 3).

Для перевода схемы, собранной на электронных лампах -- ламповое реле (Рис. 3,а), в другое устойчивое состояние в цепь сетки лампы запертого (второго) триода (между точками 1 и 2) кратковременно вводят положительное напряжение. Потенциал сетки второго триода Л2 возрастает, появляется его анодный ток, что понижает потенциал сетки первого триода Л1 и его анодный ток. В результате этого лавинообразного процесса второй триод будет полностью открыт, а первый заперт.

Бесконтактное реле на транзисторах (полупроводниковое) представляет собой усилитель постоянного тока (Рис. 3,б), охваченный положительной обратной связью через резистор Rос1.

а) б)

Рис. 3. Схемы бесконтактных реле:

а)-- ламповое; б)-- полупроводниковое

Его схема похожа на схему триггера с той разницей, что она несимметрична. Несимметрия достигается подачей на вход триода VT1 дополнительного смещения с помощью резистора Rсм. Как следствие, при отсутствии входного сигнала триод VТ1 всегда полностью открыт, а триод VТ2 -- закрыт. При появлении на входе сигнала положительной полярности реле скачком переходит из одного устойчивого состояния в другое. При этом триод VТ1 закрывается, а триод VТ2 -- открывается. Входное напряжение, при котором происходит этот скачок, называют напряжением срабатывания. В этом состоянии реле находится до тех пор, пока входной сигнал не уменьшится до напряжения отпускания. Напряжение срабатывания регулируется с помощью делителя сопротивлений R1 и R2. Регулируя соотношение сопротивлений R1 и R2, можно регулировать коэффициент возврата реле.

Бесконтактные электронные реле находят все более широкое применение в системах автоматического контроля и регулирования.

Список использованной литературы

1. Доценко А.И. Строительные машины и основы автоматизации. - М.: Высшая школа, 2008.

2. Ерёмин В.П. Управление техническими системами. - М.: РГОТУПС, 2003.

3. Добронравов С.С., Дронов В.Г. Строительные машины и основы автоматизации. - М.: Высшая школа, 2003.

4. 3еленский В.С. и др. Автоматическое управление строительными и дорожными машинами. - М.: СтройИздат, 1993.

5. В.А. Рогов, А.Д. Чудаков. Средства автоматизации производственных систем машиностроения. М.: Высшая школа, 2005, 400 с.

6. Комплексная механизация и автоматизация погрузочно-разгрузочных работ. Под редакцией И.И. Мачульского, А.А. Тимошина. М.: Издательство «Маршрут», 2003, 400 с.

Размещено на Allbest.ru