Вы здесь

Основы автоматики

Общие сведения

Автоматикой называется отрасль науки и техники, охватывающая теорию и принципы построения систем управления производственными процессами без непосредственного участия человека.

Внедрение автоматически действующих устройств в тот или иной процесс называется автоматизацией.



Понятие автоматизации сельскохозяйственного производства тесно связано с понятиями механизации и электрификации. Сущность механизации заключается во внедрении машин в производственные процессы и отдельные операции, связанные с затратами тяжелого физического труда человека. Механизация освобождает человека от выполнения тяжелой физической работы, сохраняя за ним функции управления работой машин и функции контроля за результатами этой работы. Электрификация создает основу для автоматизации производственных процессов с широким применением электрической энергии. При автоматизации управление машинами и аппаратами и контроль за их работой осуществляются специальными устройствами. Человек при этом только настраивает автоматизированные установки и наблюдает за их работой.

В современном сельскохозяйственном производстве автоматические устройства получают широкое распространение. Объясняется это тем, что в сельскохозяйственном производстве имеется целый ряд технологических процессов, осуществление которых связано с учетом большого числа разнообразных факторов, изменяющихся с большой скоростью. В этих условиях человек уже не в состоянии быстро и эффективно управлять работой машин. Автоматизация: таких процессов позволяет резко повысить производительность труда при одновременном улучшении качества производимой продукции.

Автоматические устройства, применяемые в инкубаториях, могут выполнять следующие функции: автоматическую сигнализацию,, автоматическую защиту, блокировку, автоматическое и дистанционное управление.

Автоматическая сигнализация служит для извещения обслуживающего персонала о предельных или аварийных значениях технологических параметров, о месте и характере нарушений технологического процесса. В качестве сигнальных устройств применяют лампы накаливания и неоновые, звонки, сирены и специальные указатели.

Автоматическая защита служит для защиты технологического оборудования от ненормальных режимов и при их возникновении либо отключает определенные механизмы, либо автоматически устраняет ненормальные режимы.

Блокировка осуществляет взаимосвязь отдельных механизмов и элементов автоматических устройств. Она служит для предотвращения неправильных включений и отключений, а также ошибочных действий обслуживающего персонала. С помощью блокировок предупреждают возможные повреждения оборудования и аварии.

Автоматическое управление состоит из комплекса технических средств и методов по управлению объектами без участия обслуживающего персонала: пуск и остановка основных установок, включение и выключение вспомогательных устройств, обеспечение безаварийной работы, соблюдение требуемых значений параметров в. соответствии с оптимальным протеканием технологического процесса.

Дистанционное управление осуществляется с помощью методов и технических средств, позволяющих управлять установками на расстоянии. Управляющие команды подаются обслуживающим персоналом по соединительным электрическим проводам при помощи соответствующих кнопок, ключей и другой командной аппаратуры.

Разновидностью автоматического управления является автоматическое регулирование, которое заключается в автоматическом поддержании какого-либо технологического параметра в заданных пределах или изменение его по заданной программе. Устройство, осуществляющее автоматическое регулирование, называется автоматическим регулятором.

Автоматическая система, состоящая из управляющего устройства и объекта управления, называется системой автоматического управления, а совокупность автоматического регулятора и объекта управления — системой автоматического регулирования.

Объектами управления называют технические объекты: электрические двигатели, осветительные и облучательные установки и др. Объекты управления характеризуются физическими величинами, которые в процессе управления стараются сохранить неизменными или изменять по нужной программе. Такими величинами в сельскохозяйственном производстве являются температура, влажность, освещенность, давление, уровень и др. Эти величины называются управляемыми.

На объекты управления и на величины, их характеризующие, действуют различные внешние помехи и возмущения, которые необходимо учитывать в процессе работы автоматических систем. Управление работой автоматической системы с учетом результатов измерения возмущений является важным принципом автоматического управления (регулирования). Возмущающие воздействия вызываются различными причинами, и их может быть не одно, а несколько. Обычно принимают во внимание только основное возмущающее воздействие, которое оказывает наибольшее влияние на работу системы. Компенсация всех возмущающих воздействий затруднительна, поэтому второстепенными возмущающими воздействиями пренебрегают. Это является в ряде случаев существенным недостатком принципа управления по возмущению; суммарное влияние второстепенных возмущений на управляемую величину может оказаться значительным.

Другим важным принципом автоматического управления является принцип управления по отклонению, который предполагает, что управляющее воздействие в автоматической системе вырабатывается с учетом информации об отклонении управляемой величины от заданного значения. При этом необходимо измерить значение управляемой величины, сравнить его с требуемыми, определить отклонение, на основании которого затем осуществить управление.

Это можно пояснить на следующем примере. Пусть в инкубаторе необходимо поддерживать температуру воздуха на уровне 36— 39° С. Это задание может выполнить оператор. Наблюдая за показаниями термометра, установленного в инкубаторе, оператор сравнивает их с заданным значением температуры и в случае повышения температуры над заданной отключает электрический нагреватель от сети, а в случае снижения температуры ниже заданной снова включает его в сеть.

Процесс управления работой указанного инкубационного электронагревателя можно автоматизировать с помощью несложных технических средств. Вместо обычного термометра следует взять электроконтактный. Включать и выключать электронагревательное устройство будет реле или магнитный пускатель. Эффективность управления электронагревателем во втором случае возрастет в несколько раз по сравнению с первым случаем.

Принцип управления по отклонению универсален. Он характерен не только для технических, но и биологических систем. Несмотря на это, принцип управления по отклонению имеет серьезный недостаток, связанный с запаздыванием прохождения управляющего воздействия. Поэтому, используя этот принцип, нельзя добиться абсолютной точности управления.

Наиболее совершенным принципом автоматического управления является принцип комбинированного управления, сочетающий в себе достинство принципов управления по отклонению и возмущению. Этот принцип используют при построении систем высокой точности. Это достигается за счет одновременного управления по отклонению и возмущению. Действие неучтенных возмущений в комбинированных системах компенсируется или ослабляется управлением по отклонению.



Характерной чертой автоматических систем, использующих принцип управления по отклонению, является наличие обратной связи. Обратной связью называется связь, соединяющая выход системы (элемента системы) со входом. По обратной связи информация с выхода передается на вход системы.

Система автоматического управления с обратной связью называется замкнутой. Система без обратной связи называется разомкнутой.

Если воздействие обратной связи, поступающее на вход системы, по знаку совпадает со знаком задающего воздействия, то ее называют положительной. В противном случае, если знак поступающего с выхода на вход системы воздействия не совпадает со знаком задающего воздействия, связь называется отрицательной обратной связью.

Наиболее распространена в системах автоматического управления отрицательная обратная связь.

В зависимости от реализуемого закона управления автоматические системы делятся на стабилизирующие, программные, следящие и самоприспосабливающиеся.

Автоматические системы стабилизации поддерживают управляемую величину на заданном уровне с требуемой точностью. Примерами таких систем служат системы поддержания уровня воды в водонапорных башнях водокачек, в водогрейных и паровых котлах, а также температуру и влажность воздуха в инкубаторах.

В программных системах управляемая величина регулируется во времени по заранее составленной программе, заданной специальным программным устройством. Такой системой является система управления поворотом лотков в инкубаторах и система управления освещением в птичниках.

В следящей автоматической системе заданное значение управляемой величины может изменяться в широких пределах по произвольному закону, обусловленному каким-либо внешним явлением, влиять на ход которого не представляется возможным, но учитывать его нужно. Ввиду этого следящие автоматические системы предназначаются для изменения управляемой величины по закону заранее неизвестной функции времени, определяемой задающим воздействием.

Примером следящей системы может служить система автоматического вождения трактора при работе с почвообрабатывающей машиной в зависимости от изменения направления ранее проложенной борозды, за которой следит копир.

Самоприспосабливающаяся система действует не только в соответствии с заданным законом функционирования, но и способна в зависимости от конкретных условий самостоятельно изменять свою работу с целью достижения оптимального режима.

В зависимости от характера управления во времени системы автоматического управления делятся на системы непрерывного, прерывистого и релейного действия.

В системе непрерывного (пропорционального) управления сигнал на ее выходе является непрерывной функцией времени и пропорционален воздействующей величине Х3 на ее входе.

Система прерывного управления имеет управляющее воздействие на выходе в виде последовательности импульсов, параметры которых (амплитуда, длительность, частота) определенным образом связаны с входной величиной Х3.



Система релейного действия характеризуется появлением на ее выходе нескольких определенных значений в зависимости от входной величины Х3. Распространены двух- и трехпозиционные способы управления.

При двухпозиционном управлении регулятор занимает одно из двух устойчивых состояний: «больше» и «меньше». При трехпозиционном управлении регулятор может находиться в одном из трех устойчивых состояний: «больше», «норма» и «меньше».

Степень автоматизации процесса определяется экономическим эффектом, который может быть получен от внедрения средств автоматики. Экономический эффект образуется за счет увеличения выпуска готовой продукции, уменьшения потерь исходного сырья, из которого производится продукт, улучшения качества продукта, уменьшения затрат на выпуск единицы готового продукта.

Автоматизация может быть частичной, комплексной и полной.

При частичной автоматизации осуществляется автоматизация только отдельных производственных операций и установок. Частичная автоматизация не освобождает человека от участия в производственном процессе, но существенно облегчает его труд.

Комплексная автоматизация охватывает управление всеми основными и вспомогательными процессами и операциями, начиная с поступления сырья и кончая выходом готовой продукции при помощи различных автоматических устройств, объединенных общей системой управления. В этом случае человек лишь наблюдает за ходом процесса, анализирует и изменяет режим работы автоматических устройств с целью достижения наилучших техникокономических результатов.

При полной автоматизации выполнение функций выбора и согласования режимов работы отдельных машин и механизмов во всех режимах осуществляется не человеком, а специальными автоматическими устройствами. В этом случае все основные и вспомогательные установки работают в автоматическом режиме в течение длительного времени без непосредственного участия человека. Обслуживающий персонал лишь периодически осматривает, выполняет профилактический ремонт и перестройку всей системы на новый режим работы.