Automatiseringsobjecten en hun kenmerken

Automatiseringsobjecten (besturingsobjecten) — dit zijn afzonderlijke installaties, metaalbewerkingsmachines, machines, aggregaten, apparaten, complexen van machines en apparaten die moeten worden aangestuurd. Ze zijn zeer divers in doel, structuur en werkingsprincipe.

Het object van automatisering is het belangrijkste onderdeel van het automatische systeem, dat de aard van het systeem bepaalt, daarom wordt speciale aandacht besteed aan de studie ervan. De complexiteit van een object wordt voornamelijk bepaald door de mate van kennis en de verscheidenheid aan functies die het vervult. De resultaten van de studie van het object moeten worden gepresenteerd in de vorm van duidelijke aanbevelingen met betrekking tot de mogelijkheid van volledige of gedeeltelijke automatisering van het object of het ontbreken van de noodzakelijke voorwaarden voor automatisering.

Kenmerken van automatiseringsobjecten

Het ontwerp van een automatisch besturingssysteem moet worden voorafgegaan door een locatieonderzoek om de locatierelaties vast te stellen. Over het algemeen kunnen deze relaties worden weergegeven als vier sets variabelen.

Een gecontroleerde storing, waarvan de verzameling de L-dimensionale vector H = h1, h2, h3, ..., hL... vormt. Ze omvatten meetbare variabelen die afhangen van de externe omgeving, zoals de kwaliteitsindicatoren van grondstoffen in de gieterij, de hoeveelheid van stoom verbruikt in de stoomketel, de waterstroom in de doorstroomverwarmer, de temperatuur van de lucht in de kas, die varieert afhankelijk van de externe omgevingsomstandigheden en de factoren die het proces beïnvloeden. Voor gecontroleerde verstoringen worden beperkingen gesteld aan de technologische voorwaarden.

De indicator van het te besturen technologische proces wordt de gecontroleerde grootheid (coördinaat) genoemd, en de fysieke grootheid waarmee de indicator van het technologische proces wordt bestuurd, wordt de controlerende actie genoemd (invoerhoeveelheid, coördinaat).

Controle acties, waarvan de totaliteit een n-dimensionale vector vormt X = x1, x2, x3, ..., xn... Ze zijn onafhankelijk van de externe omgeving en hebben de grootste impact op het technologische proces. Met hun hulp wordt het verloop van het proces doelbewust veranderd.

Om acties te controleren Denk hierbij aan het in- en uitschakelen van elektromotoren, elektrische kachels, actuatoren, de stand van regelkleppen, de stand van regelaars etc.

Uitvoervariabelen, waarvan de set de M-dimensionale toestandsvector vormt Y = y1, y2, y3, ..., yМ... Deze variabelen zijn de uitvoer van het object, dat zijn toestand kenmerkt en de kwaliteitsindicatoren van het eindproduct bepaalt .

Ongecontroleerde storende invloeden, waarvan de verzameling de G-dimensionale vector F = ε1, ε2, ε3, …, εG... Ze omvatten dergelijke verstoringen die om de een of andere reden niet kunnen worden gemeten, bijvoorbeeld door een gebrek aan sensoren.

Rijst. 1.In- en uitgangen van het automatiseringsobject

Het bestuderen van de overwogen relaties van het te automatiseren object kan tot twee diametraal tegenovergestelde conclusies leiden: er is een strikt wiskundige afhankelijkheid tussen de output- en inputvariabelen van het object, of er is geen afhankelijkheid tussen deze variabelen die kan worden uitgedrukt door een betrouwbare wiskundige formule.

In de theorie en praktijk van automatische besturing van technologische processen is voldoende ervaring opgedaan met het beschrijven van de toestand van een object in dergelijke situaties. In dit geval wordt het object beschouwd als een van de schakels in het automatische besturingssysteem. In gevallen waarin de wiskundige relatie tussen de uitvoervariabele y en de besturingsinvoeractie x van het object bekend is, worden twee hoofdvormen van het vastleggen van wiskundige beschrijvingen onderscheiden: dit zijn de statische en dynamische kenmerken van het object.

Statisch kenmerk in wiskundige of grafische vorm drukt de afhankelijkheid van de uitvoerparameters van de invoer uit. Binaire relaties hebben meestal een duidelijke wiskundige beschrijving, het statische kenmerk van weegdispensers voor gietmaterialen heeft bijvoorbeeld de vorm h = km (hier is h de mate van vervorming van de elastische elementen; t is de massa van het materiaal; k is de evenredigheidsfactor, die afhangt van de eigenschappen van het materiaal van het elastische element).

Als er meerdere variabele parameters zijn, kunnen nomogrammen worden gebruikt als statische kenmerken.

De statische eigenschap van het object bepaalt de latere vorming van automatiseringsdoelen. Vanuit het oogpunt van praktische implementatie in de gieterij kunnen deze doelstellingen worden teruggebracht tot drie soorten:

• stabilisatie van de initiële parameters van het object;

• het wijzigen van de uitvoerparameters volgens een bepaald programma;

• verandering in de kwaliteit van sommige uitvoerparameters wanneer de procesomstandigheden veranderen.

Een aantal technologische objecten is echter niet wiskundig te beschrijven vanwege de veelheid aan onderling samenhangende factoren die het verloop van het proces beïnvloeden, de aanwezigheid van oncontroleerbare factoren en het gebrek aan kennis over het proces. Dergelijke objecten zijn vanuit het oogpunt van automatisering complex. De mate van complexiteit wordt bepaald door het aantal in- en uitgangen van het object. Dergelijke objectieve moeilijkheden doen zich voor bij de studie van processen die worden gereduceerd door massa- en warmteoverdracht. Daarom zijn in hun automatisering aannames of voorwaarden noodzakelijk, die zouden moeten bijdragen aan het hoofddoel van automatisering: de efficiëntie van het beheer vergroten door de technologische modi maximaal te benaderen naar de optimale.

Om complexe objecten te bestuderen, wordt een techniek gebruikt die bestaat uit een voorwaardelijke weergave van een object in de vorm van een «zwarte doos». Tegelijkertijd worden alleen externe verbindingen bestudeerd en wordt er ook geen rekening gehouden met de ochtendstructuur van het systeem, dat wil zeggen, ze bestuderen wat het object doet, niet hoe het functioneert.

Het gedrag van het object wordt bepaald door de reactie van de uitvoerwaarden op veranderingen in de invoerwaarden. Het belangrijkste hulpmiddel voor het bestuderen van een dergelijk object zijn statistische en wiskundige methoden. Methodologisch wordt de studie van het object op de volgende manier uitgevoerd: de belangrijkste parameters worden bepaald, een discrete reeks wijzigingen in de belangrijkste parameters wordt vastgesteld, de invoerparameters van het object worden kunstmatig gewijzigd binnen de vastgestelde discrete reeks, alle wijzigingen in de outputs worden vastgelegd en de resultaten worden statistisch verwerkt.

Dynamische kenmerken een object van automatisering wordt bepaald door een aantal van zijn eigenschappen, waarvan sommige bijdragen aan een hoogwaardig regelproces, andere belemmeren.

Van alle eigenschappen van automatiseringsobjecten, ongeacht hun variëteit, kunnen de belangrijkste, meest karakteristieke worden onderscheiden: capaciteit, vermogen om zichzelf uit te lijnen en vertraging.

Capaciteit is het vermogen van een object om de werkomgeving te accumuleren en op te slaan in het object. De accumulatie van materie of energie is mogelijk doordat er in elk object een uitgangsweerstand zit.

De maat voor de capaciteit van het object is de capaciteitscoëfficiënt C, die de hoeveelheid materie of energie kenmerkt die aan het object moet worden toegevoerd om de gecontroleerde waarde met één eenheid te veranderen in de geaccepteerde meetgrootte:

waarbij dQ het verschil is tussen de instroom en het verbruik van materie of energie; ru — gecontroleerde parameter; het is tijd.

De grootte van de capaciteitsfactor kan verschillen, afhankelijk van de grootte van de bestuurde parameters.

De veranderingssnelheid van de gecontroleerde parameter is hoe kleiner, hoe groter de capaciteitsfactor van het object. Hieruit volgt dat het gemakkelijker is om die objecten te besturen waarvan de capaciteitscoëfficiënten groter zijn.

Zelfnivellerende Dit is het vermogen van een object om na een storing in een nieuwe stabiele toestand te komen zonder tussenkomst van een besturingsapparaat (regelaar). Objecten die zelfuitlijning hebben, worden statisch genoemd en objecten die deze eigenschap niet hebben, worden neutraal of astatisch genoemd. . Zelfuitlijning draagt ​​bij aan de stabilisatie van de besturingsparameter van het object en vergemakkelijkt de werking van het besturingsapparaat.

Zelfnivellerende objecten worden gekenmerkt door een coëfficiënt (graad) van zelfnivellering, die er als volgt uitziet:

Afhankelijk van de zelfnivellerende coëfficiënt nemen de statische eigenschappen van het object een andere vorm aan (Fig. 2).

Afhankelijkheid van de gecontroleerde parameter van de belasting (relatieve verstoring) bij verschillende zelfnivellerende coëfficiënten: 1-ideale zelfnivellering; 2 — normale zelfnivellering; 3 — gebrek aan zelfnivellering

Afhankelijkheid 1 kenmerkt een object waarvan de geregelde waarde niet verandert bij enige storing, zo'n object heeft geen regelapparatuur nodig. Afhankelijkheid 2 weerspiegelt de normale zelfuitlijning van het object, afhankelijkheid 3 kenmerkt een object dat geen zelfuitlijning heeft. De coëfficiënt p is variabel, neemt toe met toenemende belasting en heeft in de meeste gevallen een positieve waarde.

Een vertraging — dit is de tijd die is verstreken tussen het moment van onbalans en het begin van de verandering in de gecontroleerde waarde van het object. Dit komt door de aanwezigheid van weerstand en het momentum van het systeem.

Er zijn twee soorten vertraging: puur (of transport) en tijdelijk (of capacitief), die bijdragen aan de totale vertraging in het object.

Pure vertraging kreeg zijn naam omdat, in objecten waar het bestaat, er een verandering is in de responstijd van de uitvoer van het object in vergelijking met de tijd dat de invoeractie plaatsvindt, zonder de omvang en vorm van de actie te veranderen. Een voorziening die op maximale belasting werkt of waarin een signaal zich met hoge snelheid voortplant, heeft de minimale netto vertraging.

Voorbijgaande vertraging treedt op wanneer de stroom van materie of energie de weerstanden tussen de capaciteit van het object overwint.Het wordt bepaald door het aantal condensatoren en de grootte van de overdrachtsweerstanden.

Zuivere en voorbijgaande vertragingen verslechteren de controlekwaliteit; daarom is het noodzakelijk ernaar te streven hun waarden te verminderen. Bijdragende maatregelen zijn onder meer de plaatsing van meet- en regelapparatuur dicht bij het object, het gebruik van traagheidsarme elementen, de structurele rationalisatie van het object zelf, enz.

De resultaten van de analyse van de belangrijkste kenmerken en eigenschappen van de objecten voor automatisering, evenals de methoden van hun onderzoek, laten toe om te formuleren een aantal eisen en voorwaarden, waarvan de vervulling de mogelijkheid van succesvolle automatisering garandeert. De belangrijkste zijn de volgende:

• wiskundige beschrijving van objectrelaties, weergegeven in de vorm van statische kenmerken; voor complexe objecten die niet wiskundig kunnen worden beschreven: het gebruik van wiskundige en statistische, tabellaire, ruimtelijke en andere methoden om de relaties van een object te bestuderen op basis van de introductie van bepaalde aannames;

• constructie van de dynamische kenmerken van het object in de vorm van differentiaalvergelijkingen of grafieken voor het bestuderen van voorbijgaande processen in het object, rekening houdend met alle hoofdeigenschappen van het object (capaciteit, vertraging, zelfnivellering);

• het gebruik in het object van dergelijke technische middelen die zouden zorgen voor het vrijgeven van informatie over de verandering van alle parameters die van belang zijn voor het object in de vorm van verenigde signalen gemeten door sensoren;

• het gebruik van actuatoren met gestuurde aandrijvingen om het object te besturen;

• het vaststellen van betrouwbaar bekende limieten van veranderingen in de externe verstoringen van het object.

Ondergeschikte vereisten zijn onder meer:

• bepaling van de randvoorwaarden voor automatisering in overeenstemming met de besturingstaken;

• vaststelling van beperkingen op inkomende hoeveelheden en controlemaatregelen;

• berekening van criteria voor optimaliteit (efficiëntie).

Een voorbeeld van een automatiseringsobject is een installatie voor de bereiding van vormzand in een gieterij

Het proces van het maken van vormzand bestaat uit het doseren van de begincomponenten, het toevoeren aan de mixer, het mengen van het afgewerkte mengsel en het toevoeren aan de vormlijnen, het verwerken en regenereren van het afgewerkte mengsel.

De uitgangsmaterialen van de meest voorkomende zand-kleimengsels in de gieterijproductie: afvalmengsel, vers zand (vulmiddel), klei of bentoniet (bindmiddeladditief), gemalen steenkool of koolstofhoudende materialen (antiaanbakadditief), vuurvaste en speciale additieven (zetmeel , melasse) en ook water.

De invoerparameters van het mengproces zijn de kosten van de gespecificeerde vormmaterialen: afgewerkte mix, vers zand, klei of bentoniet, gemalen steenkool, zetmeel of andere toevoegingen, water.

De initiële parameters zijn de vereiste mechanische en technologische eigenschappen van het vormmengsel: droge en natte sterkte, gasdoorlaatbaarheid, verdichting, vervormbaarheid, vloeibaarheid, bulkdichtheid, enz., die worden gecontroleerd door laboratoriumanalyse.

Daarnaast omvatten de outputparameters ook de samenstelling van het mengsel: het gehalte aan actieve en effectieve bindmiddelen, het gehalte aan actieve kool, het vochtgehalte of de mate van bevochtiging van het bindmiddel, het gehalte aan fijne stoffen - vochtabsorberende fijne deeltjes en de granulometrische samenstelling van het mengsel of de fijnheidsmodulus.

Het doel van procesbeheersing is dus de samenstellende samenstelling van het mengsel. Door een optimale samenstelling van de componenten van het afgewerkte mengsel te bieden, experimenteel bepaald, is het mogelijk om stabilisatie op een bepaald niveau van de mechanische en technologische eigenschappen van het mengsel te bereiken.

De verstoringen waaraan het mengselbereidingssysteem wordt blootgesteld, bemoeilijken de taak om de kwaliteit van het mengsel te stabiliseren enorm. De reden voor de storing is de aanwezigheid van een recirculatiestroom - het gebruik van het afvalmengsel. De grootste verontwaardiging in het mixbereidingssysteem zijn de gietprocessen. Onder invloed van vloeibaar metaal, in het deel van het mengsel dat zich dicht bij het gietstuk bevindt en tot hoge temperaturen wordt verwarmd, treden ingrijpende veranderingen op in de samenstelling van het actieve bindmiddel, steenkool en zetmeel en hun overgang naar een inactieve component.

De bereiding van het mengsel bestaat uit twee opeenvolgende processen: doseren of mengen van het mengsel, wat zorgt voor het verkrijgen van de noodzakelijke samenstelling van de component, en mengen, wat zorgt voor het verkrijgen van een homogeen mengsel en het de nodige technologische eigenschappen geeft.

In het moderne technologische proces voor de bereiding van vormmengsels worden continue methoden voor het doseren van ruwe (vorm)materialen gebruikt, met als taak een continue stroom van een constante hoeveelheid materiaal of de afzonderlijke componenten ervan te produceren met stroomsnelheidsafwijkingen van de gegeven niet meer dan toegestaan.

Automatisering van het mengproces als besturingsobject kan met het volgende worden gedaan:

• rationele constructie van systemen voor het bereiden van een mengsel, waardoor de invloed van verstoringen op de samenstelling van het mengsel kan worden uitgesloten of verminderd;

• het gebruik van weeg-doseermethoden;

• creëren van verbonden besturingssystemen voor dosering van meerdere componenten, rekening houdend met de dynamiek van het proces (traagheid en vertraging van de mixer), en de leidende component moet het verbruikte mengsel zijn, dat aanzienlijke fluctuaties in stroomsnelheid en samenstelling heeft;

• automatische controle en regeling van de kwaliteit van het mengsel tijdens de bereiding;

• creatie van automatische apparaten voor complexe controle van de samenstelling en eigenschappen van het mengsel met verwerking van de controleresultaten op een computer;

• tijdige wijziging van het mengselrecept bij het wijzigen van de verhouding mengsel/metaal in de mal en de afkoeltijd van het gietstuk voor het aanslaan.