Средства систем управления

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ на тему

Средства систем управления

Дисциплина:

Основы работоспособности технических систем

1. СРЕДСТВА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

1.1 ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

1.1.1 ЭЛЕМЕНТЫ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ

Элементами общего назначения являются унифицированные и типовые элементы, используемые во всех отраслях техники. Они составляют элементную базу средств автоматизации. Простые элементы часто называют компонентами. На их основе строятся функциональные элементы и узлы. По роду используемой энергии элементы можно разделить на электрические, магнитные, пневматические, гидравлические, механические. В вещественном аспекте элементы подразделяют по виду применяемых материалов на механические (используются конструкционные металлические материалы или пластмассы), электрические (используются проводники электрического тока), электронные (используются полупроводники, в основном кремний) и т.д. В информационном аспекте элементы подразделяют по используемым видам модуляции на аналоговые, частотные, цифровые (кодовые).

К электрическим компонентам относятся резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и т.д.; к электронным -- диоды, транзисторы, тиристоры, фотодиоды, светодиоды, оптроны и др.; к электромеханическим -- реле, контакторы, магнитные пускатели, электродвигатели, элементы управления, например выключатели, переключатели, кнопки. Выпускаются комплексы универсальных гидравлических и пневматических элементов, позволяющие разрабатывать автоматические системы управления различной сложности, унифицированные гибридные преобразователи.

Для преобразования неэлектрических величин в электрические, и Наоборот.

Успехи микроэлектроники и технологии обработки полупроводниковых материалов привели к широкому использованию во всех отраслях техники микросхем, которые представляют собой Функциональные элементы, состоящие из большого числа компонентов, изготовленных на одном кристалле полупроводникового материала.

1.1.2 АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

В аналоговых информационных преобразователях используются амплитудные виды модуляции. При проектировании таких преобразователей широкое применение находят полупроводниковые интегральные операционные усилители, выполненные в виде микросхем. Они состоят из десятков компонентов, изготовленные по полупроводниковой технологии, и обладают большим коэффициентом усиления. Операционный усилитель обеспечивает практически нулевые потенциалы на входе и выходе при отсутствии сигнала на входе. Поэтому такие усилители легко соединять последовательно с непосредственными связями, а также достаточно просто охватывать любыми цепями обратных связей. Операционный усилитель имеет два информационных входа -- инвертирующий и неинвертирующий, которые вместе образуют дифференциальный вход, и один выход (U_BUX). Источник питания подключается к выводам +Е и -Е.

В ряде случаев целесообразно иметь два противофазных выхода: U_np (прямой) и U_o6 (обратный). При этом каждое из выходных напряжений может быть положительным или отрицательным относительно потенциала общей точки (земли) источников питания. Путем использования различных схем включения внешних элементов и обратных связей можно получить большое разнообразие аналоговых информационных преобразователей различного функционального назначения. Они могут использоваться для выполнения математических операций, таких как сравнение, вычитание, сложение, деление, интегрирование, дифференцирование и других, а также для преобразования формы представления информации.

1.1.4 ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ АЛГЕБРЫ ЛОГИКИ

В основе синтеза устройств на базе логических элементов лежит алгебра логики (Булева алгебра), являющаяся одним из разделов математической логики.

Основным понятием алгебры логики является высказывание. Высказывание -- это некоторое предположение, о котором можно сказать, что оно истинно или ложно. Алгебра логики изучает различные логические зависимости между высказываниями и оперирует только двумя значениями и понятиями: х = 1 -- «истинно», х= 0 -- «ложно», которые называются значениями логической переменной. Функциональная связь между выходными и входными логическими переменными называется логической функцией (операцией). Простейшими логическими операциями являются логическое отрицание (инверсия), логическое сложение и умножение.

На основе перечисленных операций могут быть синтезированы логические функции любой сложности. Такой набор операций называется функционально полной системой логических элементов.

Логические функции могут быть заданы:

аналитической формулой, которая также называется структурной формулой, например у = х^(х₂ + х₃);

таблицей, указывающей значения истинности функций в зависимости от значений истинности логических переменных (числа возможных состояний функции) для одной логической переменной N =2, для п переменных N= 2";

графически;

словесным (лингвистическим) описанием. Так, операцию логического сложения можно записать: функция у равна нулю, если переменные Х\ и х₂ равняются нулю; во всех остальных случаях Функция равна единице. В большинстве случаев пользуются упрощенной записью;

структурной и принципиальной схемами, составленными из условных графических обозначений логических элементов или коммутирующих устройств, например электромагнитных реле. Контактами обозначаются логические переменные, а функция обозначается в виде обмотки реле, которого управляют контакты.

При решении задач, связанных с разработкой или анализом схем устройств автоматики, могут образовываться весьма сложные логические функции. Если строить логические схемы непосредственно по таким функциям, то они будут очень громоздкими. Однако во многих случаях можно существенно упростить сложные логические зависимости, используя законы алгебры логики и вытекающие из них следствия.

1.1.5 ЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УЗЛЫ

В автоматике широко используются двухпозиционные элементы -- триггеры в микроэлектронном исполнении. Большое разнообразие типов триггеров определяется входными цепями. В общем случае триггер представляет собой элемент с двумя выходами (прямым Q и инверсным Q) и тремя входами (для установки в 0 -- вход R; для установки в 1 -- вход S и счетный вход -- Т_с). При подаче сигнала на вход Т_с триггер переходит в другое устойчивое состояние; при этом значения сигналов на его выходах меняются на противоположные. Триггер является элементом памяти и хранит 1 бит информации.

На основе логических элементов строятся более сложные функциональные узлы, находящие широкое применение для построения импульсных устройств различного назначения. Такие устройства являются преобразователями кодов.

Регистр (RG) -- это устройство, предназначенное для хранения кодов чисел и представляющее собой набор триггеров.

Регистр сдвига (RG сд) -- это устройство, осуществляющее сдвиг поступающего в него кода влево или вправо. Он преобразует параллельный код в последовательный или последовательный в параллельный. Кроме того, при сдвиге кода выполняется операция умножения или деления этого кода на основание системы счисления.

Счетчик -- это устройство для подсчета (суммирования) чисел входных импульсов, представляемых единичным кодом. В импульсных устройствах счетчики используются для деления частоты следования импульсов.

Реверсивный счетчик -- это устройство для суммирования и вычитания единичных кодов, представленных импульсами.

Шифратор (CD) -- это преобразователь одного вида кода в другой.

Дешифратор (DC) -- это устройство, преобразующее двоичный код в единичный сигнал на одном из выходов. Дешифратор является обратным преобразователем по отношении к шифратору. Применяются эти узлы и для построения коммутаторов и распределителей двоичных сигналов.

Мультиплексор (MUX) -- это переключающее устройство, которое переключает сигнал с многих информационных входов D на один выход Q.,

Демультиплексор (DMX) -- это переключающее устройств (коммутатор), которое переключает сигналы с одного информационного входа D1 на несколько выходов Q.

Прогресс в разработке интегральных логических узлов позволяет объединять в одном корпусе тысячи простых схем, что ведет объединению многих логических узлов в одну микросхему и созданию сверхбольших интегральных схем, основу которых составляют микропроцессоры. Такие устройства позволяют решать практически любые задачи.

1.2 УСТРОЙСТВА ИЗМЕРЕНИЯ

1.2.1 ИЗМЕРЕНИЕ И КОНТРОЛЬ

Состояние и поведение объекта управления определяется в любой момент времени некоторыми физическими величинами. Единственным способом получения количественной информации о значении любой величины, характеризующей объект, является измерение.

Измерение величины -- это процесс получения информации за счет восприятия и преобразования неизвестной величины и нахождения опытным путем числового эквивалента отношения двух однородных величин: полученной и известной. При этом известная величина принимается в качестве меры. В качестве известной величины (меры) используются овеществленные единицы измерения. Единица измерения физической величины А -- это величина, которой присвоено значение единицы и которая имеет ту же физическую природу, что и величина А.

Наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и требуемой точности называется метрологией.

Различают следующие технические измерения:

величины (параметра) Q;

процесса Q=f(t), как правило, однопараметрического;

обобщенных характеристик объектов, что можно рассматривать как одновременное измерение и обработку многих параметров и функций или получение образа в многомерном пространстве.

Выполнение контроля включает в себя контроль величины (параметра), процесса, обобщенных характеристик объекта.

Контроль -- частный случай измерения, при котором устанавливают соответствие значения величины допуску и производят сравнение не с единицей измерения, а с заданным значением (уставкой). В общем случае контроль -- это действие, направленное на установление соответствия состояния объекта заданному состоянию.

1.2.2 СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ

Все технические устройства, используемые при измерении, называются средствами измерения. Они, в соответствии с действующими государственными стандартами, должны иметь нормируемые метрологические характеристики.

По характеру участия в процессе измерения все средства измерения можно разделить на меры, информационные и измерительные преобразователи (ИП), измерительные приборы и информационно-измерительные системы.

Мера -- это средство измерения, предназначенное для воспроизведения физической величины данного размера. Меры подразделяются на образцовые и рабочие, однозначные и многозначные. В основном точностью воспроизведения физической величины мерой определяется погрешность измерения.

Информационный преобразователь -- это техническое устройство, построенное на определенном физическом или другом принципе действия и выполняющее преобразование рода энергии, носителя информативного параметра или вида модуляции, а также реализацию определенной функции преобразования (обработки информации). В технической литературе такие преобразователи часто называют преобразователями формы информации. Это преобразование должно производиться без искажения содержания полученного сообщения. Информационный преобразователь выдает сигнал, удобный для согласования с другими техническими системами передачи, обработки или хранения информации, но не предназначенный для восприятия человеком. В этом случае он называется согласующим преобразователем, а ИнП, выдающий сигнал, предназначенный для восприятия человеком, называется индикатором.

Различают первичные и промежуточные (вторичные) ИнП. К первичному преобразователю подводится преобразуемая величина. Он непосредственно взаимодействует с объектом. Конструктивная совокупность ряда преобразователей, размещенных на объекте, называется датчиком. Элемент первичного преобразователя, непосредственно воспринимающий измеряемую величину, называется чувствительным элементом.

Измерительный преобразователь -- это преобразователь, в котором осуществляются деление двух однородных величин в соответствии с выражением (8,1), дискретизация, квантование и кодирование.

В результате кодирования формируется числовой эквивалент измеряемой величины. Измерительный преобразователь является аналого-кодовым, составляющим основу всех современных из₇ мерительных устройств. Часто встречающееся название «аналого-цифровой преобразователь» (АЦП) предполагает, что АКП снабжен цифровым индикатором для наблюдения за результатами измерения.

В АКП при осуществлении операции деления, используются методы счета и совпадения. Счет может осуществляться единичными или разрядными приращениями. Из приведенных выше выражений для уравнения измерения видно, что операция деления может быть заменена операциями умножения и сравнения методом проб.

В настоящее время в ИП реализованы все известные алгоритмы деления двух величин (чисел).

Измерительный прибор -- это цепь соединенных последовательно информационных преобразователей, включая датчик с чувствительным элементом на входе, измерительный преобразователь и индикатор на выходе, если информация предназначена для восприятия человеком. Применение информационных и измерительных преобразователей является единственным методом практического построения любых информационно-измерительных устройств.

Измерительный прибор в общем случае включает в себя три самостоятельные конструктивные совокупности элементов: датчик (Д), содержащий чувствительный элемент (ЧЭ); измерительный преобразователь (ИП), включающий в себя меру, и индикатор (И), которые размещаются совместно или раздельно и соединяются между собой линиями связи. Для согласования сигналов по роду энергии, природе носителя информативного параметра и виду модуляции используются информационные преобразователи (ИнШ и ИнП2), которые при недостаточном по величине сигнале с датчика могут выполнять функции усилителя.

Если ИП не осуществляет квантование и кодирование, то процесс измерения выполняется не автоматически, а наблюдателем (человеком-оператором) путем нахождения числового эквивалента величины, как правило, по шкале (отсчетному устройству) стрелочного индикатора методом считывания. При наличии ИП и цифрового индикатора прибор называется цифровым.

Информационно-измерительные системы строятся как автоматизированные системы с централизованным управлением, в которых осуществляется сбор, передача, обработка и отображение полученной информации о многих параметрах объекта на различного рода индикаторах.

унифицированный информация алгебра логика

1.2.3 ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Усложнение технических объектов и технологических процессов, повышение роли качества выпускаемой продукции, ускорение научно-исследовательских работ привело к необходимости одновременного измерения большого числа разнообразных параметров. Накопление больших объемов информации и усложнение процессов управления потребовали создания банков данных. Удовлетворяет потребности науки и техники в обработке больших потоков информации информатика, включающая в себя все технические средства, которые предназначены для сбора, обработки, накопления и хранения, передачи и представления человеку и техническим системам различного вида информации, как правило, в цифровой форме. Технические средства могут использоваться отдельно или объединяться в информационную систему. В этом случае информационную систему можно представить структурной схемой, в которую входят устройства измерения (УИ), устройства обработки информации (УОИ), устройства накопления и хранения информации (УНИ), устройства сопряжения с человеком (УСЧ), включающие в себя разного рода информационные панели (индикаторы) и пульты управления (органы управления). Все функциональные элементы соединены между собой линиями связи. Информация может поступать от объекта управления (ОУ) и выдаваться на устройство управления (УУ).

На практике широко используются информационные системы, специально ориентированные на решение определенных задач, которые получили название информационно-измерительных (ИИС), информационно-вычислительных (ИВС), информационно-поисковых систем (ИПС), или систем накопления информации (базы данных). Возможны и другие комбинированные информационные системы.

Информационно-поисковые системы осуществляют поиск требуемой абоненту информации, хранящейся в банке данных УНИ, и выдают ее в удобной для абонента форме. Информационно-вычислительные системы предназначены для обработки различных видов информации по заданным алгоритмам.

Информационно-измерительные системы предназначены для получения информации непосредственно от объекта исследования, передачи и выдачи ее оператору. Эти системы и измерительные приборы составляют основу всех технических средств, используемых в технике и промышленности для управления техническими объектами и технологическими процессами.

Современные информационные системы входят в состав автоматизированных систем управления технологическими процессами, автоматизированных систем для научных исследований (АСНИ), автоматизированных систем контроля и испытания (АСКиИ), автоматизированных систем диагностики (АСД).

1.3 УСТРОЙСТВА ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

1.3.1 НАЗНАЧЕНИЕ УСТРОЙСТВ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

Устройства обработки информации -- это информационные преобразователи, функциональное назначение которых определяется их функцией преобразования. Функция преобразования представляет собой зависимость у = Ф(х) и связывает входную и выходную величины рассматриваемого устройства. В математике термин «обработка» эквивалентен термину «оператор». Понятие «оператор» в общем случае означает соответствие между элементами двух множеств. Понятие «функция» является простейшим примером оператора, когда оба множества числовые.

В общем случае функция преобразования является операторным уравнением, описывающим принцип преобразования в абстрактной форме, а оператор Ф выражает закон, по которому значению входной величины ставится в соответствие некоторое значение выходной величины. Понятие «оператор» включает в себя все известные математические операции.

Устройства обработки информации предназначены для выполнения любых математических операций. В системе они функционально являются вычислительными устройствами. Созданием устройств вычислительной техники занимается самостоятельная отрасль техники, оказывающая огромное влияние на развитие других отраслей. Однако граница раздела устройств на измерительные и вычислительные во многом условна. Любой информационный преобразователь является и вычислительным, так как он реализует определенную функцию преобразования (оператор).

При выполнении математических операций с числовыми величинами (величинами, представленными кодами) могут использоваться алгоритмы обработки, основанные на методах счета и совпадения (считывания). В преобразователях, работающих по методу счета, переменные величины могут поступать в УОИ единичными или разрядными приращениями.

В преобразователях, работающих по методу совпадения, функция хранится в запоминающем устройстве (ЗУ) и считывается из него по значениям переменных. Этот метод обладает самым большим быстродействием и позволяет реализовывать сложные операторы.

Обработка информации может осуществляться централизованно или быть рассредоточена по отдельным преобразователям. В первом случае для обработки используются специализированные устройства, которые получили название «вычислительные машины», во втором случае обработка ведется с помощью информационных преобразователей по всему тракту преобразования информации.

В устройствах измерения с помощью статистической обработки полученной информации можно уменьшить погрешность измерения, привести сигналы к единому масштабу, умножив или разделив их на соответствующие коэффициенты; представить результаты измерения в логарифмическом масштабе, что расширит диапазон измерения входной величины; выполнить функциональное преобразование с целью линеаризации характеристики общего тракта преобразования. Если объем вычислений значителен, то целесообразно использовать централизованную обработку и применять в качестве УОИ специальные или универсальные средства вычислительной техники.

Существенное влияние на характеристики УОИ оказывает вид используемой модуляции.

1.3.2 УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ

Любая система управления может быть представлена в виде двух подсистем: объекта управления и управляющей подсистемы. Задача управляющей подсистемы состоит в том, чтобы на основе полученной информации о состоянии объекта управления сформировать управляющее воздействие на технический или технологический объекты управления в виде потока вещества, обладающего определенной массой, энергией и информацией.

При управлении техническими объектами сформированное воздействие заставляет ОУ функционировать в соответствии с заданной целью управления.

При управлении технологическими процессами материальные потоки с определенными параметрами, сформированные управляющей подсистемой и направляемые в объект управления, осуществляют в технологическом оборудовании физико-химические превращения материалов в соответствии с объективно существующими законами природы.

Автоматическое управление объектом возможно только в том случае, если на основании информации о состоянии ОУ и воздействиях внешней среды можно путем обработки информации создать алгоритм управления, а также физически реализовать его в конструкции устройства управления.

Если предположить, что характеристики устройств измерения и воздействия известны, то при проектировании устройств управления техническими объектами и автоматизации технологических Процессов можно выделить следующие задачи.

Формулирование цели управления. Решение этой задачи выходит за рамки теории управления объектами. Цель управления формулирует разработчик объекта управления. При разработке инженерных объектов автотранспортных средств -- это задача разработчиков механических узлов и конструкций. При разработке системы управления производственным процессом формулирование управления -- это экономическая и технологическая задача.

Подбор элементной базы, устройств и оборудования, способного выполнить необходимый процесс управления.

Математическое описание работы инженерных или технологических объектов управления. Эта задача является предметом исследования специальных дисциплин. Можно отметить два наиболее распространенных способа математического описания ОУ, обладающих определенными достоинствами и недостатками. Первый способ основан на использовании законов физико-химических превращений, таких как закон сохранения вещества, энергии и т.д.; второй способ основан на информации, полученной при экспериментальном исследовании ОУ.

Синтез алгоритма управления. Решение этой задачи в большей степени является творческим процессом. Только для относительно простых процессов удается построить математическую модель, с высокой точностью отражающую реальный процесс. Математическая модель системы управления является компромиссом между ее адекватностью описываемому процессу, с одной стороны, и удобством ее использования для решения конкретной технической задачи, -- с другой. От точности модели во всех случаях зависит качество управления. Чем точнее построена модель и чем больше система адекватна модели реального процесса, тем, естественно, точнее решение задачи управления. Однако увеличение точности математического описания системы связано с увеличением затрат времени и средств на разработку модели. Кроме того, усложняется сам алгоритм управления, и, что самое главное, его техническая реализация.

Техническая реализация устройства управления. Полученные алгоритмы управления могут быть реализованы на основе аналоговой, частотной, кодовой (цифровой) или комбинированной (аналого-цифровой) техники.

В настоящее время для построения простых систем управления и регулирования применяется аналоговая техника. Однако уменьшение стоимости и повышение надежности ЭВМ в значительной степени расширили их использование для решения задач автоматизации технических объектов. Целесообразность использования аналоговой или кодовой техники в дискретном или непрерывном режиме во многом определяется видом процесса в объекте. Различают непрерывные, дискретные и комбинированные процессы. Это значит, что технические агрегаты как объекты управления могут функционировать непрерывно во времени или прерывисто, обрабатывая конечные порции продукции, энергии или информации. В последнем случае работа объекта представляет собой выполнение циклической последовательности рабочих операций. Это обстоятельство во многом определяет вид используемого устройства автоматического управления техническими объектами и технологический процессами.

В традиционной теории автоматического управления в качестве основного классификационного признака устройств управления и всей САР используется форма функции преобразования (статической характеристики). По этому признаку системы делятся на линейные и нелинейные, что объясняется историческим развитием теории автоматического регулирования, когда вопросы качества и устойчивости САР решались исключительно математическими методами, а информационные аспекты не рассматривались в силу отсутствия научных данных об информационных процессах в системах управления. Однако в основе образования любой системы лежат информационные процессы (передача информации от элемента к элементу), поэтому в современной теории автоматического управления при классификации САР и их элементов исходят из кинетики информационных процессов.

Устройства управления САР (регуляторы) можно классифицировать по форме используемых сигналов на устройства управления непрерывного действия с аналоговым (АА) и квантованным (АС) сигналами и дискретного действия с аналоговыми (AD) и квантованными (CD) сигналами.

Обмен информацией между элементами является непременным условием существования системы, поэтому основным классификационным признаком системы управления должен быть информационный признак (форма сигнала), а не форма статической характеристики.

Размещено на Allbest.ru