Задача автоматизации состоит в осуществлении автоматического управления различными техническими процессами



жүктеу 5.01 Kb.

бет1/10
Дата09.09.2017
өлшемі5.01 Kb.
түріЗадача
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10

ЛЕКЦИЯ 1  
ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ  
  
Основные  понятия  и  определения  системы  и  средств  автоматизации.  Основные 
этапы  развития  средств  автоматизации.  История  развития  теории  управления  и 
математического моделирования. Классификация средств автоматизации.  
  
1.1 Общие понятия об автоматизации и автоматическом управлении  
Задача  автоматизации  состоит  в  осуществлении  автоматического    управления 
различными техническими процессами.  
Технические процессы можно разделить на ряд видов, отличающихся один от другого 
целями, физической природой, конструктивным оформлением, способом управления. Это 
могут быть технологические или производственные процессы, т. е. процессы переработки 
различных  материалов,  конечная  цель  которых  —  выработка  материальной  продукции, 
создание  инженерных  сооружений;  энергетические  процессы,  целью  которых  является 
выработка,  преобразование  и  передача  различных  видов  энергии;  транспортные 
процессы,  результат  которых  —  перемещение  в  пространстве  грузов  и  пассажиров; 
процессы  обработки  и  передачи  информации.  Для  того  чтобы  эти  процессы  протекали 
правильно  или  наилучшим  образом,  ими  нужно  управлять.  На  рисунке  1.1  показана 
структурная схема управления техническим процессом.  
Большой  опыт,  накопленный  в  автоматизации,  показывает,  что  несмотря  на 
существенные  различия  многообразных  технических  процессов  техника  управления  ими 
основывается на ряде правил и законов, общих для многих из этих процессов. Более того, 
ряд  законов  управления  оказывается  общим  не  только  для  технических  устройств,  но  и 
для живых организмов и даже для определенных явлений общественной: жизни людей. 
Изучение  законов  управления,  общих  для  технических  устройств,  живых  организмов  и 
общества,  составляет  предмет  кибернетики.  Рассмотрим  часть  законов  управления 
техническими процессами, которая относится к области автоматического регулирования.  
  

Рисунок 1.1 – Структурная схема управления техническим процессом  
Обратная связь  
Наиболее  простым  механическим  приспособлением  является  распределительный 
клапан. Первая версия его появилась еще в 50 году нашей эры в Александрии, где клапан 
использовался  для  автоматического  распределения  воды.  В  качестве  примера 
простейшей версии предохранительного клапана можно привести кастрюлю-скороварку, 
которую  изобрел  еще  в  1679  году 
Денис  Пейпин.  Для  того  чтобы  крышка  могла 
сдерживать  давление  пара,  он  поместил  на  нее  груз,  достаточно  легкий  для  того,
 
чтобы 
крышка могла подняться, прежде чем давление пара возрастет настолько, что он сможет 
разорвать  кастрюлю.  Современные  скороварки  или  паровые  котлы  оснащены  более 
тонкими  приспособлениями  (например,  предохранителями,  которые  расплавятся,  если 
температура станет слишком высокой), но принцип остался тот же.
  
Конечно,  это  пример,  так  сказать,  «одноразовой»  регуляции  Но  можно  привести 
примеры  и  постоянно  действующих  регулирующих  устройств.  Англичанин  Эдмунд  Ли  в 
1745  году  запатентовал  простое  устройство,  благодаря  которому  ветряная  мельница 
поворачивалась  навстречу  ветру.  Его  приспособление  представляло  собой  обычный 
флюгер  веерообразной  формы,  который  поворачивался  по  ветру,  когда  тот  менял  свое 
направление.  Поворот  флюгера  через  систему  зубчатых  колес  передавался  на  саму 
мельницу,  которая  также  поворачивалась  крыльями  против  ветра.  Флюгер  оставался 
неподвижным до тех пор, пока ветер не менял направление.
  
Но  истинным  прообразом  современных  механических  саморегулирующихся 
устройств  является  приспособление  для  поддержания  постоянного  давления  пара, 
которое  придумал  Джеймс  Ватт  и  которое  он  использовал  в  своем  паровом  двигателе. 
Чтобы  обеспечить  выпуск  пара  из  парового  двигателя,  Ватт  сконструировал  регулятор, 
состоящий из вертикальной оси, к которой по бокам на свободно подвешенных стержнях 
крепились  два  груза.  Грузы  могли  свободно  перемещаться  вверх  и  вниз,  удаляясь  при 
этом  от  стержня  или  соответственно  приближаясь  к  нему.  Ось  под  давлением  пара 
вращалась.  При  повышении  давления  пара  ось  начинала  вращаться  быстрее,  при  этом 
под  действием  центробежной  силы  грузы  перемещались  в  стороны  и  вверх.  Двигаясь 
вверх,  они  поднимали  клапан,  что  позволяло пару  выходить  наружу.  По  мере  снижения 
давления  пара  вращение  оси  замедлялось,  и  под  действием  силы  тяжести  грузы 
опускались  вниз,  вследствие  чего  клапан  закрывался.  Таким  образом  устройство 
регулировало  скорость  вращения  оси  и  соответственно  поддерживало  мощность 

двигателя  на  постоянном  уровне.  Любое  отклонение  от  заданной  мощности  двигателя 
автоматически  запускало  вышеописанное  устройство,  что  также  автоматически 
нормализовало  работу  двигателя.  Подобное  взаимоотношение  между  частями  системы, 
при  котором  ошибка  в  функционировании  одной  части  тут  же  дает  о  себе  знать  другой 
части и служит при этом количественной мерой для необходимой коррекции, называется 
обратной связью.
  
Наиболее  показательным  примером  механизма,  в  котором  действует  обратная 
связь,  является  термостат  (устройство,  служащее  для  поддержания  постоянной 
температуры)- Первый термостат сконструировал нидерландский изобретатель Корнелис 
Дребл еще в начале 
XVII века, это было весьма примитивное приспособление. Термостат с 
более  усовершенствованным  принципом  работы,  который  используется  и  до  сего  дня, 
придумал  в  1830  году  шотландский  химик  Эндрю  Юр.  Главным  элементом  в  термостате 
Юра являются две полоски, сделанные из разных металлов. Полоски располагаются одна 
вдоль другой и спаиваются. Поскольку  различные металлы при изменении температуры 
расширяются или сжимаются в различной степени, полоски при изменении температуры 
изогнутся  в  дугу.  Допустим,  термостатирующее  устройство  на  комнатном  обогревателе 
установлено  на  температуру  23  °С.  Если  температура  в  комнате  упадет  ниже  23°, 
пластинки  изогнутся  таким  образом,  что  они  замкнут  электрическую  систему  и 
автоматически  включат  обогреватель.  Как  только  температура  в  комнате  превысит  23°, 
пластинки  изогнутся  в  другую  сторону  и  разомкнут  контакт  и  обогреватель  выключится. 
Таким  образом  обогревательный  прибор  сам  регулирует  свою  работу  посредством 
обратной связи.  
Большинство  систем,  как  живых,  так  и  неживых,  слегка  запаздывают  с  ответом  в 
проявлении обратной связи. Возьмем, к примеру, тот же комнатный обогреватель. После 
автоматического  выключения  он  еще  продолжает  некоторое  время  обогревать  по-
мещение,  отдавая  остаточное  тепло,  и,  наоборот,  когда  он  автоматически  включится, 
всегда проходит какое-то время, пока комната согреется до заданной температуры. Таким 
образом,  строго  говоря,  температура  в  комнате  не  всегда  равна  23  °С,  ее  значение 
колеблется  около  этой  величины,  то  слегка  превышая  ее,  то  опускаясь  немного  ниже. 
Этим  феноменом  впервые  начал  заниматься  в  30-х  годах  XIX  столетия  английский 
астроном  Георг Айри в связи с изобретением приспособления, автоматически поворачи-
вающего телескоп в соответствии с вращением Земли.  

Этот принцип применим и к машине. Можно сделать так, чтобы при приближении 
параметров,  характеризующих  состояние  системы,  к  нормативным  значениям  сразу  же 
автоматически 
выключался 
механизм, 
который 
останавливал 
бы 
работу 
корректировочного  устройства.  Тогда  параметры  системы  никогда  не  превысят 
нормативных значений. В 1868 году французский инженер Леон Фарко использовал этот 
принцип при разработке системы автоматического контроля с помощью пара положения 
руля морского судна. Как только положение руля приближалось к тому, которое должно 
было  быть,  приспособление  Фарко  автоматически  опускало  паровой  клапан;  другими 
словами, по мере того, как судно начинало занимать нужное направление, давление пара 
снижалось.  Как  только  положение  руля  отклонялось  от  правильного,  вследствие  его 
движения открывался соответствующий клапан, что приводило руль в нужное положение. 
Фарко  дал  название  своему  изобретению  —  сервомеханизм,  или  следящая  система.  В 
каком-то  смысле  появление  этого  механизма  предвосхитило  эру  автоматизации  (это 
слово ввел в обиход в 1946 году американский инженер Д.С. Хардер).  
Должное  применение  автоматические  следящие  системы  нашли  только  с 
развитием  электроники.  Введение  в  сервомеханизмы  электроники  сделало  их 
высокочувствительными  и  быстрореагирующими,  по  чувствительности  и  быстроте 
реакции  системы  автоматического  контроля  превзошли  живые  организмы.  Более  того, 
радио значительно расширило сферу применения этих механизмов: с появлением радио 
этими механизмами можно стало управлять находясь на расстоянии. Немецкий самолет-
снаряд времен Второй мировой войны, в сущности, являлся летающим сервомеханизмом, 
он  продемонстрировал  возможности  не  только  управляемого  снаряда,  но  и 
самоуправляемых  и  управляемых  нa  расстоянии  перевозочных  средств  вообще,  от 
поездов  подземки  до  космических  кораблей.  Поскольку  военные  ведомства  питали 
особый  интерес  к  такого  рода  разработкам  и  вкладывали  в  них  большие  средства, 
наибольшее  развитие  системы  автоматического  контроля  получили  в  военной  технике. 
Эти  системы  способны  засечь  быстродвижущуюся  цель  на  расстоянии  в  несколько  сот  и 
даже  тысяч  километров,  тут  же  рассчитать  ее  курс  (с  учетом  скорости  ее  движения, 
направления  и  скорости  ветра,  температуры  различных  слоев  атмосферы  и  ряда  других 
условий) поразить ее — и все это без какого-либо участия человека.        
Страстным  сторонником  автоматизации,  который  немало  сделал  для  развития  ее 
теории,  был  математик  Норберт  Винер.  В  40-х  годах  XX  столетия  он  и  возглавляемая  им 
группа 
из 
Массачусетского 
института 
технологии 
разработали 
некоторые 

фундаментальные  положения,  касающиеся  использования  механизмов  обратной  связи. 
Он  дал  новому  направлению  исследований  название  кибернетика.  Это  название 
происходит от греческого слова, означающего «рулевой», «кормчий», что не случайно, так 
как  вы  помните,  что  первое  применение  системы  автоматического  контроля  было 
действительно связано с рулем судна.  
С  началом  Второй  мировой  войны  начался  и  быстрый  прогресс  автоматики. 
Особенно  быстро  он  происходил  в  Соединенных  Штатах  Америки  и  в  Советском  Союзе. 
Нефтеперерабатывающие  заводы,  предприятия,  выпускающие  такую  продукцию,  как 
радиоприемники  или  алюминиевые  поршни,  целиком  были  поставлены  на 
автоматическую  основу,  их  загружали  сырьем  на  одном  конце  автоматической  линии  и 
получали  готовую  продукцию  на  другом,  и  всем  процессом  производства  на  этих 
предприятиях управляли самоконтролируемые машины.  
В  известном  смысле  автоматизация  означала  начало  новой  технической 
революции.  Но  каждая  революция  имеет  жертвы.  И  в  этом  случае  жертвами 
индустриальной  революции  могли  стать  не  только  тысячи  рабочих,  но  и  экономика  в 
целом.  Рассказывают  такую  историю.  Глава  одного  из  американских  предприятий,  вы-
пускающих  автомобили,  сопровождал  некоего  профсоюзного  деятеля  в  экскурсии  по 
новому автоматизированному заводу. «Боюсь, что с них вы никогда не сможете собрать 
профсоюзные  взносы»,  —  шутливо  заметил  он,  кивая  на  автоматы.  «А  я  боюсь,  что  вы 
никогда  не  сможете  продать  им  свои  автомобили»,  —  отпарировал  профсоюзный 
деятель.  
Однако автоматизация производства не привела к тому, что  численность рабочих 
на  производстве  значительно  сократилась.  Если  и  сократилась,  то,  во  всяком  случае,  не 
больше,  чем  она  снизилась  с  появлением  паровых  машин  или  электричества.  С 
появлением  паровых  машин  и  электричества  исчезла  необходимость    применения 
мускульной  силы  в  производстве,  человек  перестал  использоваться  в  качестве  рабочей 
лошади.  Введение  автоматизации  избавило  человека  от  необходимости  быть  тупым 
придатком конвейера.  
Механизм обратной связи и сервомеханизмы возбудили интерес не только среди 
инженеров,  но  и  среди  биологов:  саморегулируемые  устройства  могли  служить 
упрощенной моделью для изучения функционирования нервной системы.  
В  40-х  годах  XX  века  чех  Карел  Чапек  написал  пьесу  «R.U.R.»  (Универсальные 
роботы  Россела»).  Пьеса  не  только  пробуждала  фантазию  человека,  но  и  вносила  в  его 

душу  некоторое  смятение.  В  те  годы  ученые  начали  проводить  эксперименты  по 
созданию  различного  рода  роботов  (иногда  их  еще  называли  автоматами)  не  как 
механизмов,  способных  заменить  человека,  а  как  инструмент  для  изучения  природы 
живых организмов. Так, например, Л.Д. Хармон разработал транзисторную схему, которая 
при  стимуляции  генерировала  электрический  импульс  подобно  нейрону.  Из  таких  схем 
можно  было  собрать  устройства,  которые  воспроизводили  некоторые  возможности 
человеческого глаза и уха. Английский биолог У. Росс Эшби на основе таких схем собрал 
механизм,  реакции  которого  на  внешние  воздействия  были  очень  похожи  на  простые 
рефлексы.  Он  дал  своему  детищу  название  гомеостат,  поскольку  тот  мог 
самостоятельно поддерживать себя в стабильном состоянии.  
Британский  невролог  Уильям  Грей  Уолтер  создал  более  сложное  устройство, 
которое  было  способно  исследовать  окружающее  и  реагировать  на  него.  Поскольку 
внешне  это  устройство  было  похоже  нa  черепаху,  автор  так  его  и  назвал.  В  устройство 
были  вмонтированы  фотоэлектрический  элемент,  который  выполнял  функцию  глаза, 
чувствительный  детектор,  реагирующий  на  прикосновение,  и  два  мотора:  благодаря 
одному  автомат  мог  двигаться  вперед  и  назад,  благодаря  другому  —  поворачиваться  и 
изменять направление движения. В темноте «черепаха» едва двигалась по широкой дуге: 
если натыкалась на препятствие, отступала немного назад, слегка поворачивалась, после 
чего снова продолжала двигаться вперед, пока вновь не натыкалась на какой-либо пред-
мет. Если ее фотоэлектрический «глаз» видел свет, то срабатывал поворачивающий мотор 
и  «черепаха»  начинала  двигаться  прямо  на  свет.  Ее  фототропизм  также  был 
контролируем: при достаточно близком приближении к источнику света сильная яркость 
заставляла  «черепаху»  поворачивать  в  сторону,  так  что  она  не  делала  роковой  ошибки, 
свойственной  ночным  мотылькам.  Правда,  когда  батарейки  начинали  садиться, 
«голодная»  «черепаха»  все  же  ползла  к  источнику  света,  рядом  с  которым  находилось 
подзаряжающее  устройство,  и  заряжалась.  «Насытившись»,  она  вновь    становилась 
чувствительной к свету и уходила из зоны яркой освещенности.  
Появление подобных роботов вселяло в ученых и конструкторов желание создать 
механизмы,  которые  бы  полностью  имитировали  живые  системы.  Ведь  если 
рассматривать  творческую  деятельность  человека  в  историческом  аспекте,  то  легко 
увидеть, что в природе существуют прообразы всех образцов его творчества. Нож есть не 
что иное, как острый бивень животного, рычаг  — это, по сути, искусственная рука, образ 
колеса был позаимствован у ствола дерева и т. д. — примеров можно привести много.  

Относительно недавно, менее 50 лет назад, появилось новое направление в науке, 
одной из основных задач которого явился тщательный анализ функционирования живых 
тканей  и  органов  или,  другими  словами,  выяснение  того,  как  работают  системы, 
созданные природой, которые совершенствовались в процессе эволюции на протяжении 
миллиардов  лет.  Знания  такого  рода  можно  было  бы  применить  при  создании  машин, 
копирующих деятельность  живых  организмов. Это направление получило свое название 
—  бионика.  Название  придумал  американский  инженер  Джек  Стил  в  1960  году, 
формально  оно  является  сокращенным  вариантом  от  «биологическая  электроника»,  по 
сути же подразумевает гораздо более широкий спектр задач.  
В  качестве  примера  одной  из  них  можно  привести  интерес  к  строению  кожи 
дельфина. Если бы турбулентность воды вокруг дельфина при его движении в воде была 
бы  такой,  как  и  вокруг  обычного  судна  такого  же  размера,  то  для  развития  скорости,  с 
которой  обычно  плавает  дельфин,  ему  бы  понадобилось  приложить  мощность  в  2,6 
лошадиной  силы.  По  некоторым  причинам  —  скорее  всего,  из-за  строения  его  кожи  — 
при  прохождении  потоков  воды  вдоль  тела  дельфина  турбулентности  не  возникает, 
поэтому  животному  нужно  тратить  совсем  немного  энергии,  чтобы  преодолеть 
сопротивление воды. Если бы человек при создании материалов для обшивки кораблей 
смог использовать особенности строения наружного слоя кожи дельфина, скорость океан-
ских лайнеров намного бы возросла и одновременно сократился бы расход топлива.  
Американский  биофизик  Джером  Леттвин,  введя  платиновые  электроды  в 
зрительный  нерв  лягушки,  детально  изучил  функционирование  сетчатой  оболочки  глаза 
этого  земноводного.  Раньше  полагали,  что  сетчатая  оболочка  посылает  в  мозг  сигналы, 
соответствующие  темным  и  светлым  пятнам  созерцаемого  объекта,  а  мозг, 
проанализировав  и  суммировав  эти  сигналы,  создает  зрительный  образ  предмета. 
Оказалось,  что  сетчатая  оболочка  у  лягушки  устроена  гораздо  сложнее:    в  ней  есть  пять 
различных  типов  клеток,  каждый  из  которых  предназначен  для  выполнения  своей 
функции. Клетки первого типа реагируют на контуры предмета, или, другими словами, на 
резкое изменение окраски; с помощью этих клеток животное различает, например,  ветви 
дерева на фоне неба. Клетки второго типа реагируют на            объекты округлой формы 
(насекомые,  которыми  питается  лягушка).  Третьи  клетки  реагируют  на  быстро 
движущиеся объекты (опасность, которой лучше избежать). Четвертые — на тусклый свет, 
а пятые — на цвет воды в пруду. Короче говоря, сетчатая оболочка глаза лягушки, прежде 
чем  послать  сигналы  в  мозг,  сама  их  достаточно  глубоко  анализирует.  Если  бы  датчики, 

создаваемые  человеком,  обладали  подобным  «умением»,  они  бы  стали  гораздо 
чувствительнее и многостороннее в функциональном аспекте.  
Мы  уже  использовали  ряд  терминов  —  управление,  автоматизация,  регулирование; 
однако  они,  хотя  и  получили  в  последние  годы  широкое  распространение,  все  же 
нуждаются в более точном определении и пояснении.  
Механизация и автоматизация  
Всякий  технический  процесс  можно  расчленить  на  ряд  более  простых  составных,  но 
связанных  между  собою  процессов.  Так,  процесс  обработки  детали  на  токарном  станке 
включает  следующие  составные  процессы:  1)  получение  из  склада  заготовок;  2) 
транспортировку заготовок в цеховую кладовую; 3) транспортировку заготовок к станку; 4) 
подготовку  станка  к  работе  (установка  инструмента,  передаточного  числа  и  т.  п.);  5) 
установку  детали  на  станке;  6)  пуск  станка;  7)  процесс  резания;  8)  контроль  изделия;  9) 
снятие  изделия  со  станка  и  т.  д.  Эти  процессы  неравноценны.  Процессы  установки 
изделия  и  инструмента  и  резания  —  это  основные,  они  требуют  работника  наивысшей 
квалификации.  Остальные  процессы  вспомогательные,  они  требуют  менее  квали-
фицированного  труда,  но,  поскольку  без  них  невозможен  основной  процесс,  роль  их  в 
едином производственном процессе также значительна.  
В технических процессах можно выделить рабочие операции и операции управления.  
Рабочие  операции  представляют  собою  такие  действия,  непосредственным 
результатом  которых  является  требуемая  обработка  материала,  энергии,  информации 
или требуемое перемещение материала.  
Так, в операции резания рабочей операцией будет снятие стружки; в транспортировке 
деталей  —  перемещение  тележки;  в  выработке  энергии  на  гидроэлектростанции  —
падение потока воды на лопасти рабочего колеса турбины, вращение роторов турбины и 
генератора,  питание  возбудителя.  Рабочие  операции  сопряжены  с  затратами  энергии; 
если  они  выполняются  человеком,  то  на  их  выполнение  затрачивается  его  физическая 
сила.  
Вместе  с  тем  очевидно,  что  для  получения  хорошего  качества  продукции  в  любом 
технологическом  процессе  требуются  дополнительные  операции,  должным  образом 
направляющие подводимую энергию: резцу придаются определенное направление и ско-
рость, чтобы обрабатываемая поверхность получилась точной и чистой; поезду — нужные 
скорости и ускорения, чтобы езда была плавной и быстрой; надо управлять температурой, 

давлением  и  другими  факторами  в  химическом  реакторе,  чтобы  обеспечить  высокое 
качество при высокой производительности.  
Операции  управления,  которыми  обеспечивается  придание  в  нужные  моменты 
нужных направлений, скоростей, ускорений, температур, влажности и других показателей 
процесса, а также  пуск, прекращение операции и переход от одной операции  к другой, 
иногда  обособлены  от  рабочих  операций.  Операции  управления  требуют  определенной 
квалификации исполнителя. Можно утверждать, что искусство токаря, машиниста и даже 
астронома  состоит  в  правильном,  высококачественном  управлении  рабочим 
инструментом,  машиной  или  прибором.  На  операции  управления  затрачивается  в 
основном интеллектуальный труд человека.  
Замена труда человека в рабочих операциях работой машин и механизмов называется  
механизацией.  
Механизировать  можно  не  только  физический,  но  и  умственный  труд,  так  как  в 
процессах  обработки  информации  основные  рабочие  процессы  требуют  умственного 
труда, например процессы вычисления в бухгалтерских работах, процессы кодирования и 
раскодирования сообщений. Это еще не автоматизация, так как управление машинами и 
другими устройствами выполняется человеком.  
В  механизированном  производстве  человек  еще  не  освобожден  от  функций 
управления и наблюдения за процессом. Замена труда человека в операциях управления 
действиями 
технических 
управляющих 
устройств 
называется 


  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10


©emirb.org 2017
әкімшілігінің қараңыз

войти | регистрация
    Басты бет


загрузить материал