Các đối tượng tự động hóa và đặc điểm của chúng

Đối tượng tự động hóa (đối tượng điều khiển) — đây là những cài đặt riêng biệt, máy cắt kim loại, máy móc, thiết bị, tổ hợp máy móc và thiết bị phải được kiểm soát. Chúng rất đa dạng về mục đích, cấu tạo và nguyên tắc hoạt động.

Đối tượng của tự động hóa là thành phần chính của hệ thống tự động, quyết định tính chất của hệ thống, do đó người ta đặc biệt chú ý đến việc nghiên cứu nó. Độ phức tạp của một đối tượng được xác định chủ yếu bởi mức độ hiểu biết của nó và sự đa dạng của các chức năng mà nó thực hiện. Kết quả nghiên cứu đối tượng phải được trình bày dưới dạng các khuyến nghị rõ ràng về khả năng tự động hóa hoàn toàn hoặc một phần của đối tượng hoặc thiếu các điều kiện cần thiết để tự động hóa.

Đặc điểm của đối tượng tự động hóa

Việc thiết kế một hệ thống điều khiển tự động phải được thực hiện trước khi khảo sát địa điểm để thiết lập các mối quan hệ của địa điểm. Nói chung, các mối quan hệ này có thể được biểu diễn dưới dạng bốn bộ biến.

Rối loạn có kiểm soát, mà tập hợp của nó tạo thành vectơ L chiều H = h1, h2, h3, ..., hL... Chúng bao gồm các biến đo lường phụ thuộc vào môi trường bên ngoài, chẳng hạn như các chỉ số chất lượng của nguyên liệu thô trong xưởng đúc, số lượng lượng hơi tiêu thụ trong nồi hơi, lưu lượng nước trong bình đun nước nóng tức thời, nhiệt độ không khí trong nhà kính thay đổi tùy theo điều kiện môi trường bên ngoài và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình. Đối với các rối loạn được kiểm soát, các giới hạn được đặt vào các điều kiện công nghệ.

Chỉ tiêu của quy trình công nghệ cần điều khiển được gọi là đại lượng điều khiển (tọa độ) và đại lượng vật lý mà chỉ tiêu của quy trình công nghệ được điều khiển gọi là tác động điều khiển (đại lượng đầu vào, tọa độ).

hành động kiểm soát, tổng của nó tạo thành một vectơ n chiều X = x1, x2, x3, ..., xn... Chúng không phụ thuộc vào môi trường bên ngoài và có tác động đáng kể nhất đến quá trình công nghệ. Với sự giúp đỡ của họ, tiến trình của quá trình được thay đổi có mục đích.

Để kiểm soát hành động bao gồm bật và tắt động cơ điện, lò sưởi điện, bộ truyền động, vị trí của van điều khiển, vị trí của bộ điều chỉnh, v.v.

Biến đầu ra, tập hợp tạo thành vectơ trạng thái M chiều Y = y1, y2, y3, ..., yМ... Các biến này là đầu ra của đối tượng, đặc trưng cho trạng thái của nó và xác định các chỉ số chất lượng của thành phẩm .

Ảnh hưởng xáo trộn không kiểm soát được, có tập hợp tạo thành vectơ chiều G F = ε1, ε2, ε3, …, εG... Chúng bao gồm các nhiễu như vậy không thể đo được vì lý do này hay lý do khác, chẳng hạn như do thiếu cảm biến.

Cơm. 1.Đầu vào và đầu ra của đối tượng tự động hóa

Nghiên cứu các mối quan hệ được xem xét của đối tượng được tự động hóa có thể dẫn đến hai kết luận hoàn toàn trái ngược nhau: có sự phụ thuộc toán học chặt chẽ giữa các biến đầu ra và đầu vào của đối tượng, hoặc không có sự phụ thuộc giữa các biến này mà có thể được biểu diễn bằng một phép toán đáng tin cậy. công thức.

Về lý thuyết và thực hành điều khiển tự động các quy trình công nghệ, đã có đủ kinh nghiệm trong việc mô tả trạng thái của một đối tượng trong các tình huống như vậy. Trong trường hợp này, đối tượng được coi là một trong những liên kết trong hệ thống điều khiển tự động. Trong trường hợp đã biết mối quan hệ toán học giữa biến đầu ra y và hành động đầu vào điều khiển x của đối tượng, hai hình thức ghi mô tả toán học chính được phân biệt — đó là các đặc tính tĩnh và động của đối tượng.

đặc tính tĩnh ở dạng toán học hoặc đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của các tham số đầu ra vào đầu vào. Các mối quan hệ nhị phân thường có mô tả toán học rõ ràng, ví dụ, đặc tính tĩnh của máy định lượng vật liệu đúc có dạng h = km (ở đây h là mức độ biến dạng của các phần tử đàn hồi; t là khối lượng của vật liệu; k là hệ số tỷ lệ, phụ thuộc vào tính chất của vật liệu của phần tử đàn hồi).

Nếu có một số tham số thay đổi, biểu đồ có thể được sử dụng làm đặc điểm tĩnh.

Đặc tính tĩnh của đối tượng xác định sự hình thành tiếp theo của các mục tiêu tự động hóa. Từ quan điểm triển khai thực tế trong xưởng đúc, các mục tiêu này có thể được giảm xuống thành ba loại:

• ổn định các tham số ban đầu của đối tượng;

• thay đổi các thông số đầu ra theo một chương trình nhất định;

• thay đổi chất lượng của một số tham số đầu ra khi các điều kiện của quá trình thay đổi.

Tuy nhiên, một số đối tượng công nghệ không thể được mô tả bằng toán học do vô số yếu tố liên quan đến nhau ảnh hưởng đến tiến trình của quy trình, sự hiện diện của các yếu tố không thể kiểm soát và thiếu kiến ​​thức về quy trình. Các đối tượng như vậy rất phức tạp theo quan điểm tự động hóa. Mức độ phức tạp được xác định bởi số lượng đầu vào và đầu ra của đối tượng. Những khó khăn khách quan như vậy nảy sinh trong quá trình nghiên cứu các quá trình giảm khối lượng và truyền nhiệt. Do đó, trong tự động hóa của họ, các giả định hoặc điều kiện là cần thiết, điều này sẽ góp phần vào mục tiêu chính của tự động hóa - tăng hiệu quả quản lý bằng cách tiếp cận tối đa các chế độ công nghệ đến chế độ tối ưu.

Để nghiên cứu các đối tượng phức tạp, một kỹ thuật được sử dụng, bao gồm biểu diễn có điều kiện của đối tượng dưới dạng «hộp đen». Đồng thời, chỉ nghiên cứu các kết nối bên ngoài, cấu trúc buổi sáng của hệ thống cũng không được tính đến, tức là họ nghiên cứu xem đối tượng làm gì chứ không phải hoạt động như thế nào.

Hành vi của đối tượng được xác định bởi phản ứng của các giá trị đầu ra đối với những thay đổi trong các giá trị đầu vào. Công cụ chính để nghiên cứu một đối tượng như vậy là các phương pháp thống kê và toán học. Về mặt phương pháp, việc nghiên cứu đối tượng được thực hiện theo cách sau: các tham số chính được xác định, một chuỗi thay đổi rời rạc trong các tham số chính được thiết lập, các tham số đầu vào của đối tượng được thay đổi một cách giả tạo trong chuỗi rời rạc đã thiết lập, tất cả các thay đổi trong các kết quả đầu ra được ghi lại và các kết quả được xử lý theo thống kê.

đặc tính động một đối tượng tự động hóa được xác định bởi một số thuộc tính của nó, một số thuộc tính góp phần vào quá trình kiểm soát chất lượng cao, một số khác cản trở quá trình đó.

Trong tất cả các thuộc tính của các đối tượng tự động hóa, bất kể sự đa dạng của chúng, những thuộc tính chính, đặc trưng nhất có thể được phân biệt: dung lượng, khả năng tự điều chỉnh và độ trễ.

Dung tích là khả năng của một đối tượng tích lũy môi trường làm việc và lưu trữ nó trong đối tượng. Sự tích lũy vật chất hoặc năng lượng có thể xảy ra do thực tế là có một điện trở đầu ra trong mọi vật thể.

Thước đo công suất của vật thể là hệ số công suất C, đặc trưng cho lượng vật chất hoặc năng lượng phải cung cấp cho vật thể để thay đổi giá trị được kiểm soát theo một đơn vị trong kích thước đo được chấp nhận:

trong đó dQ là hiệu giữa dòng vào và dòng tiêu thụ vật chất hoặc năng lượng; ru — tham số được kiểm soát; t là thời gian.

Kích thước của hệ số công suất có thể khác nhau tùy thuộc vào kích thước của các tham số được kiểm soát.

Tốc độ thay đổi của thông số điều khiển càng nhỏ thì hệ số công suất của đối tượng càng lớn. Theo đó, việc kiểm soát những đối tượng có hệ số năng lực lớn hơn sẽ dễ dàng hơn.

tự san lấp mặt bằng Đây là khả năng một đối tượng đi vào trạng thái ổn định mới sau khi bị xáo trộn mà không có sự can thiệp của thiết bị điều khiển (bộ điều chỉnh). Đối tượng có khả năng tự điều chỉnh được gọi là tĩnh và những đối tượng không có đặc tính này được gọi là trung tính hoặc tĩnh . Tự điều chỉnh góp phần ổn định tham số điều khiển của đối tượng và tạo điều kiện thuận lợi cho hoạt động của thiết bị điều khiển.

Các đối tượng tự cân bằng được đặc trưng bởi một hệ số (mức độ) tự cân bằng, giống như sau:

Tùy thuộc vào hệ số tự cân bằng, các đặc tính tĩnh của đối tượng có dạng khác nhau (Hình 2).

Sự phụ thuộc của tham số điều khiển vào tải (xáo trộn tương đối) ở các hệ số tự cân bằng khác nhau: 1-tự cân bằng lý tưởng; 2 — tự cân bằng bình thường; 3 — thiếu khả năng tự cân bằng

Sự phụ thuộc 1 đặc trưng cho một đối tượng mà giá trị được kiểm soát không thay đổi dưới bất kỳ sự xáo trộn nào, đối tượng như vậy không cần thiết bị điều khiển. Sự phụ thuộc 2 phản ánh sự tự liên kết thông thường của đối tượng, sự phụ thuộc 3 đặc trưng cho một đối tượng không có sự tự liên kết. Hệ số p có thể thay đổi, nó tăng khi tải tăng và trong hầu hết các trường hợp có giá trị dương.

Một sự trì hoãn — đây là thời gian trôi qua giữa thời điểm mất cân bằng và thời điểm bắt đầu thay đổi giá trị được kiểm soát của đối tượng. Điều này là do sự hiện diện của lực cản và động lượng của hệ thống.

Có hai loại độ trễ: thuần túy (hoặc vận chuyển) và tạm thời (hoặc điện dung), bổ sung vào tổng độ trễ trong đối tượng.

Độ trễ thuần túy có tên của nó bởi vì, trong các đối tượng nơi nó tồn tại, có sự thay đổi về thời gian phản hồi của đầu ra của đối tượng so với thời gian xảy ra hành động đầu vào mà không làm thay đổi cường độ và hình dạng của hành động. Một cơ sở hoạt động ở mức tải tối đa hoặc trong đó tín hiệu đang truyền ở tốc độ cao có độ trễ mạng tối thiểu.

Độ trễ nhất thời xảy ra khi dòng vật chất hoặc năng lượng vượt qua các lực cản giữa khả năng của vật thể.Nó được xác định bởi số lượng tụ điện và kích thước của điện trở truyền.

Độ trễ đơn thuần và nhất thời làm giảm chất lượng điều khiển; do đó, cần ra sức làm giảm giá trị của chúng. Các biện pháp đóng góp bao gồm việc đặt các thiết bị đo lường và điều khiển gần đối tượng, sử dụng các yếu tố nhạy cảm quán tính thấp, hợp lý hóa cấu trúc của chính đối tượng, v.v.

Kết quả phân tích các đặc điểm và tính chất quan trọng nhất của các đối tượng để tự động hóa, cũng như các phương pháp nghiên cứu của họ, cho phép xây dựng một số yêu cầu và điều kiện, việc đáp ứng đảm bảo khả năng tự động hóa thành công. Những cái chính là như sau:

• mô tả toán học các mối quan hệ của đối tượng, được trình bày dưới dạng các đặc tính tĩnh; đối với các đối tượng phức tạp không thể mô tả bằng toán học — việc sử dụng các phương pháp toán học và thống kê, bảng, không gian và các phương pháp khác để nghiên cứu các mối quan hệ của một đối tượng dựa trên việc đưa ra các giả định nhất định;

• xây dựng các đặc tính động của đối tượng dưới dạng phương trình vi phân hoặc đồ thị để nghiên cứu các quá trình nhất thời trong đối tượng, có tính đến tất cả các thuộc tính chính của đối tượng (công suất, độ trễ, tự cân bằng);

• việc sử dụng trong đối tượng các phương tiện kỹ thuật như vậy sẽ đảm bảo tiết lộ thông tin về sự thay đổi của tất cả các tham số quan tâm của đối tượng dưới dạng tín hiệu thống nhất được đo bằng cảm biến;

• việc sử dụng các cơ cấu truyền động có điều khiển để điều khiển đối tượng;

• thiết lập các giới hạn thay đổi đã biết một cách đáng tin cậy trong các nhiễu loạn bên ngoài của đối tượng.

Các yêu cầu phụ bao gồm:

• xác định các điều kiện biên tự động hóa phù hợp với nhiệm vụ điều khiển;

• thiết lập các hạn chế về số lượng đầu vào và các hành động kiểm soát;

• tính toán các tiêu chí về tính tối ưu (hiệu quả).

Một ví dụ về đối tượng tự động hóa là cài đặt để chuẩn bị cát đúc trong xưởng đúc

Quá trình sản xuất cát đúc bao gồm định lượng các thành phần ban đầu, đưa chúng vào máy trộn, trộn hỗn hợp đã hoàn thành và đưa vào dây chuyền đúc, xử lý và tái tạo hỗn hợp đã qua sử dụng.

Nguyên liệu ban đầu của hỗn hợp cát-sét phổ biến nhất trong sản xuất đúc: hỗn hợp chất thải, cát tươi (chất độn), đất sét hoặc bentonit (phụ gia kết dính), than nghiền hoặc vật liệu cacbon (phụ gia chống dính), phụ gia chịu lửa và phụ gia đặc biệt (tinh bột). , mật mía) và cả nước.

Các thông số đầu vào của quá trình trộn là chi phí của vật liệu đúc được chỉ định: hỗn hợp đã qua sử dụng, cát tươi, đất sét hoặc bentonit, than nghiền, tinh bột hoặc các chất phụ gia khác, nước.

Các thông số ban đầu là các đặc tính cơ học và công nghệ cần thiết của hỗn hợp đúc: độ bền khô và ướt, tính thấm khí, độ nén, khả năng định hình, tính lưu động, mật độ khối, v.v., được kiểm soát bằng phân tích trong phòng thí nghiệm.

Ngoài ra, các thông số đầu ra còn bao gồm thành phần của hỗn hợp: hàm lượng chất kết dính hoạt tính và hiệu quả, hàm lượng than hoạt tính, độ ẩm hoặc mức độ thấm ướt của chất kết dính, hàm lượng hạt mịn - hạt mịn hút ẩm và thành phần hạt của hỗn hợp hoặc mô đun độ mịn.

Như vậy, đối tượng của điều khiển quá trình là thành phần cấu tạo của hỗn hợp. Bằng cách cung cấp thành phần tối ưu của các thành phần của hỗn hợp đã hoàn thành, được xác định bằng thực nghiệm, có thể đạt được sự ổn định ở một mức độ nhất định về tính chất cơ học và công nghệ của hỗn hợp.

Sự xáo trộn mà hệ thống chuẩn bị hỗn hợp phải chịu làm phức tạp rất nhiều nhiệm vụ ổn định chất lượng của hỗn hợp. Lý do cho sự xáo trộn là sự hiện diện của dòng tuần hoàn - việc sử dụng hỗn hợp chất thải. Sự phẫn nộ chính trong hệ thống chuẩn bị hỗn hợp là quá trình rót. Dưới ảnh hưởng của kim loại lỏng, trong một phần của hỗn hợp gần vật đúc và được nung nóng đến nhiệt độ cao, những thay đổi sâu sắc xảy ra trong thành phần của chất kết dính hoạt động, than và tinh bột và quá trình chuyển đổi của chúng thành một thành phần không hoạt động.

Việc chuẩn bị hỗn hợp bao gồm hai quá trình liên tiếp: định lượng hoặc trộn hỗn hợp, đảm bảo thu được thành phần cần thiết của thành phần và trộn, đảm bảo thu được hỗn hợp đồng nhất và mang lại các đặc tính công nghệ cần thiết.

Trong quy trình công nghệ hiện đại để chuẩn bị hỗn hợp đúc, các phương pháp định lượng nguyên liệu thô (đúc) liên tục được sử dụng, nhiệm vụ của nó là tạo ra một dòng liên tục của một lượng vật liệu không đổi hoặc các thành phần riêng lẻ của nó với tốc độ dòng chảy sai lệch so với đưa ra không nhiều hơn mức cho phép.

Tự động hóa quá trình trộn như một đối tượng điều khiển có thể được thực hiện như sau:

• xây dựng hợp lý các hệ thống để chuẩn bị hỗn hợp, cho phép loại trừ hoặc giảm ảnh hưởng của nhiễu loạn đến thành phần của hỗn hợp;

• việc sử dụng các phương pháp định lượng cân nặng;

• tạo ra các hệ thống điều khiển được kết nối để định lượng nhiều thành phần, có tính đến động lực học của quy trình (quá trình quán tính và độ trễ của máy trộn) và thành phần hàng đầu phải là hỗn hợp đã qua sử dụng, có sự dao động đáng kể về tốc độ dòng chảy và thành phần;

• kiểm soát tự động và điều chỉnh chất lượng của hỗn hợp trong quá trình chuẩn bị;

• tạo ra các thiết bị tự động để kiểm soát phức hợp thành phần và tính chất của hỗn hợp với việc xử lý các kết quả kiểm soát trên máy tính;

• kịp thời thay đổi công thức hỗn hợp khi thay đổi tỷ lệ hỗn hợp/kim loại trong khuôn và thời gian làm nguội vật đúc trước khi đánh.