Избавление производственных и функциональных процессов от непосредственного участия человека позволило сократить затраты на обслуживание управляемого объекта и в некоторых областях улучшить качество выпускаемого продукта. Несмотря на активное развитие электроники, многие системы пока еще остаются зависимыми от операторов, что обуславливается также и сложностями внедрения новых моделей производственного контроля. На сегодняшний день автоматическая система управления – это одна из самых перспективных форм осуществления производственной деятельности, которая, впрочем, ставит перед пользователями и новые технологические задачи.
Теория и принципы автоматизации
Изначально концепция автоматического управления развивалась как один из разделов технической механики. В частности, специалисты в этом направлении разрабатывали принципы управления электрическими машинами и паровыми котлами, но не выходя за рамки электротехники. По мере своего развития теория систем автоматического управления стала определять функциональные органы рабочей структуры в качестве полноценных объектов, влияющих на производственный процесс. Таким образом была выявлена целая общность взаимосвязанных процессов управления, заключенных в одну динамическую модель. На современном этапе развития теоретики автоматических систем изучают принципы их построения, а также закономерности процессов, протекающих внутри готовых моделей. На качество работы, точность и гибкость в плане адаптации систем оказывают влияние такие факторы, как условия работы, назначение устройства, конструкционные особенности и т. д.
Построение систем автоматизации
В процессе разработки управляющих систем на базе автоматики центральное место отводится созданию алгоритма функциональной структуры. На первом этапе построения собираются необходимые исходные данные, среди которых свойства управляемого объекта, задачи управления, характер внешних воздействий, требования к точности контроля и т. д.
Далее прорабатываются технико-эксплуатационные качества контроллера управления автоматическими системами. Устройство этой части как центрального функционального органа напоминает технический исполнительный механизм, который будет сообщать команды управляемому объекту. На данной инфраструктуре замыкается цепь рабочих элементов системы, свойства которой определяются один раз вначале и могут менять отдельные значения также в заданных диапазонах. На этом и основывается принцип неизменяемой структуры системы управления. Она остается неизменной в том смысле, что ее характеристики устанавливаются до непосредственного построения управляющего алгоритма.
Компенсирующий эффект в системах автоматизации
Принцип компенсации закладывается в алгоритм системы управления в целях повышения точности контроля и сокращения вероятности ошибок. Необходимость реализации компенсирующих контуров в алгоритме связана с несовершенством прямого автоматического контроля. Например, в процессе подачи сигналов оператор может регулярно менять конфигурацию действующих команд в соответствии с учетом мельчайших воздействий на систему. Автоматика, в свою очередь, просчитывает лишь ограниченные наборы условий и текущие свойства объекта.
Как же строится работа системы автоматического управления с эффектом компенсации? Возможные отклонения регулируемой величины от требуемых значений нивелируются путем воздействия через обратную связь. Специально для выполнения подобных корректировок управляющие контуры дополняются вспомогательными командными линиями, которые в постоянном режиме стабилизируют динамические свойства системы. На этих принципах работают многоконтурные системы с многосвязным управлением или одновременной регулировкой нескольких параметров целевого объекта.
Классификации автоматического управления
Управляющие системы этого типа в основном различаются по целям контроля, способу передачи команд и видам контурной связи. Изначально ставились задачи поддержки определенных законов измерения. В этой группе можно выделить системы программного управления, следящие устройства и другие механизмы, функционирующие строго по определенным параметрам. Сегодня же, по мере развития интеллектуальных принципов контроля, усложнились и задачи автоматических систем управления – это может быть целый комплекс задач, для решения которых используются не только заложенные оператором данные, но и динамические показания, выведенные по алгоритмам с применением и значений от сопряженного измерительного оборудования.
По способам трансляции команд и управления в целом выделяют самонастраивающиеся, самоорганизующиеся и самообучаемые системы. Непосредственно взаимодействие между компонентами управляющего устройства может базироваться на аналоговых контурах и современных беспроводных модулях.
Простые и сложные системы автоматизации
Разница между методами реализации алгоритмов управления позволяет обозначить принципиальные отличия в существующих системах автоматики. В качестве простейшего примера можно привести регулятор частоты вращения электродвигателя. Управляющим объектом выступает центробежный регулятор, управляемым – сам двигатель, а регулирующее воздействие осуществляется через настройку позиции дроссельной заслонки. И ключевая задача управления, и принцип ее реализации достигаются путем простейшего действия в процессе контроля вала вращения, связанного с маховым механизмом.
Структурная схема управления сложными системами требует в ходе разработки не только учета теоретических методов вычисления, но и подключения принципов моделирования. Могут задействоваться цифровые вычислительные машины, которые позволят просчитать автоматические системы управления процессами разного порядка. Кроме прямых эксплуатационных показателей в таких конфигурациях учитываются и косвенные факторы влияния наподобие нелинейности координат. Для сложных систем важны принципы гибкого динамического управления и обеспечение чувствительности контуров взаимодействия подсистем.
Функциональные задачи
В результате анализа целей управления формируется набор конкретных технологических функций, которые могут быть представлены в виде отдельных задач или комплекса операций. В общем виде элементы функционального действия основываются на следующих задачах:
- Прогнозирование и планирование.
- Контроль, учет и анализ.
- Регуляция и координация.
На низших структурных звеньях реализуется точечный функционал автоматической системы управления – это операции формирования конкретных воздействий на подконтрольный объект. В частности, задачи обработки информации могут быть представлены хранением, поиском, отображением и преобразованием данных.
Техническое обеспечение автоматического управления
Хотя главной целью построения автоматических контроллеров является управляющий функционал, даже простейшие системы в обязательном порядке включают средства измерения и учета. От информационных датчиков, вычислительных машин и сенсоров на контроллеры поступают рабочие данные. Это показатели, на основе которых микропроцессоры, в частности, дают команды исполнительным механизмам. Например, автоматическое управление техническими системами на физическом уровне может реализовываться через электромагнитные устройства с элементами запорной арматуры. Более широкий охват имеют электродвигательные исполнительные средства, контролирующие работу оборудования, агрегатов и различной техники.
Техобслуживание автоматики
Поддержка исправного или работоспособного состояния элементов управляющего комплекса невозможна без проведения своевременного технического обслуживания. Это набор профилактических и ремонтных мер, который утверждается разработчиком системы или главным инженером на эксплуатирующем предприятии. В большинстве случаев техническое обслуживание систем автоматического управления предполагает выполнение следующих мероприятий:
- Проверка внешнего состояния аппаратуры и механических агрегатов.
- Чистка оборудования без вскрытия и монтажа.
- Проверка работоспособности блокирующих механизмов и заземления.
- Проверка надежности фиксирующих узлов – монтажных скоб, зажимных элементов, метизов, присоединения разъемов и полумуфт.
- Проверка состояния электротехнических источников питания.
- Ремонт, замена или восстановление поврежденных частей комплекса.
Обучение систем автоматического контроля и управления
Изменение условий работы большинства систем в современном мире обуславливает необходимость создания моделей их адаптации. Конечно, подобные задачи могут выполняться и вручную, но такой подход противоречит самой концепции автоматического управления. Поэтому создаются новые теории обучения, адаптации и самоорганизации контролирующих систем. Наиболее перспективными направлениями в этой области можно назвать системы обратной связи, устройства распознавания образов и теорию искусственного интеллекта. Объединяются же принципы обучения в каждом из этих случаев тем, что система самостоятельно выбирает тактику дальнейших действий исходя из широкого спектра данных о своем состоянии – на сегодняшний день уже стандартными стали сведения о температуре, влажности, вибрациях и т. д.
Заключение
Цели, которые ставят перед собой разработчики современных устройств контроля и управления, вышли далеко за пределы простых задач саморегуляции механизмов. В нынешнем понимании перспективная автоматическая система управления – это многофункциональный комплекс, способный выполнять задачи проектирования и обслуживать процессы коллективной коммуникации между группами сотрудников. Подобные системы требуют немалых затрат на внедрение и дальнейшее обучение, но снижение производственных расходов уже в процессе эксплуатации оправдывает такие вложения. Другое дело, что в некоторых областях автоматические обучаемые системы готовы предлагать возможности, на которые пока еще нет достаточного спроса.
