Технологические средства автоматизации

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯАКАДЕМИЯ
Контрольная работа подисциплине:“Технологические средства автоматизации”
ВАРИАНТ 4
                                   ВЫПОЛНИЛ:студент гр. № 141
А.С. Лизунов
         ПРОВЕРИЛ: С.В. Санталов
Рязань2003Вопрос 5.
Современное производство характеризуется повышением доли автоматизированного оборудования. В связи с этим многие учебные дисциплины предусматривают изучение автоматических устройств дискретного действия, в частности наиболее распространенных устройств дискретной электроавтоматики (УДЭА).
Существующие пакеты прикладных программ, обеспечивающие разработку УДЭА, не могут использоваться для обучения студентов, т.к. большинство операций проектирования в них выполняются автоматически.
Устройства дискретной электроавтоматики, используются для формирования команд управления типа включено-выключено при наличии определенных комбинаций воздействий, заданных, например, в случае электрических устройств механическими воздействиями на их подвижные контакты.
Анализ и синтез УДЭА проводится на основе булевой алгебры, что позволяет формализовать задачи и создать компьютерные программы проектирования и изучения работы таких устройств, а также оценивать уровень знаний на основе специальных контролирующих программ на персональных ЭВМ [1,2].
Синтез устройства управления электромеханического типа осуществляется с помощью программы имитирующей работу этого устройства, которое моделируется в ячейках матрицы размера 4х4 установкой в них нормально замкнутых и разомкнутых электрических ключей, вертикальных и горизонтальных перемычек. После чего выдаются варианты замыкания полученной электрической схемы при различных воздействиях на ключи, а если число вариантов воздействий не превышает 16, то дополнительно и таблица истинности с указанием вариантов замыкания.
Таким образом, синтез УДЭА проводится в несколько последовательных этапов: на первом — определяется булева формула соответствующая логике работы устройства, на втором — по этой формуле задается электрическая схема, на третьем — анализируется ее работа, причем второй и третий, наиболее трудоемкий, этапы выполняются с помощью компьютера и в случае нахождения ошибки в работе УДЭА могут повторяться не однократно.Вопрос 14.
Индуктивные преобразователилинейных перемещений предназначены для преобразования линейных перемещений вэлектрические сигналы.
*Коэффициент преобразования: выходной сигналпреобразования при нагрузке 1кОм / смещение якоря преобразователя / напряжениепитания.
**Нелинейность характеристики преобразования: наибольшееотклонение характеристики от прямой,проходящей через ноль и наименнее уклоняющейся от действительной, отнесенное крабочему диапазону преобразователя.
/>
***Размах показаний: разность между максимальным иминимальным показаниями при многократном арретировании преобразователя.Тип Общий ход шпинделя, мм Рабочий диапазон, мм Коэффициент преобразования*, мВ/мм/В Нелинейность характеристики преобразования,%** Размах показаний***, мкм Вариация показаний****, мкм М-022 3,6 ±1 130 0,5 0,2 0,2 М-022А 3,6 ±1 130 0,1 0,2 0,2 М-023 12,3 ±5 50 5 0,2 0,2 М-023А 12,3 ±5 50 0,5 0,2 0,2 М-024 12,6 ±3 80 5 0,2 0,2 М-028 35 ±15 30 10 1 1 М-032 5 ±2,5 20 5 5 5 М-032-01 5 ±0,5 100 3 5 5
****Вариация показаний: разность между двумя показаниями преобразователяпри измерениях величины, имеющей одно и то же значение, с плавным медленнымподходом к этому значению со стороны больших и меньших значений.Вопрос 24.
Принцип действия такого датчика заключается в том, что приотражении электромагнитной волны от движущейся цели ее частота сдвигается навеличину: f = 2F0·v/c, где F0 — частота электромагнитной волны, v — проекцияскорости цели на направление цель-локатор, с — скорость света. Отсюда видно,что нужна очень высокая частота излучаемого сигнала, так как сдвиг частоты (то,что несет информацию о цели) пропорционален v/c и очень мал. Если v = 3 м/сек,то относительный сдвиг частоты всего 10-8 и при частоте излучения 10ГГц (1010Гц) f = 200 Гц. Кроме того, только в СВЧ (сверхвысокочастотном) диапазоне можносоздать компактные направленные антенны.
Локатор облучает цель непрерывным СВЧ сигналом. Отраженныйцелью сигнал возвращается обратно, принимается локатором и смешивается насмесителе с малой долей излучаемого сигнала. Смеситель — нелинейный электрическийэлемент (в простейшем случае обычный СВЧ диод). При одновременномвзаимодействии двух электромагнитных колебаний с различными частотами f1 и f2на нелинейном элементе выделяются колебания с комбинационными частотами
fL = f1 — f2  и  fH = f1 + f2
Обычно нижняя частота fL выделяется фильтром и используетсядля регистрации наличия движущегося объекта и (если нужно) для измерения егоскорости.
Фактически все такие датчики, это радиолокаторы СВЧдиапазона, которые работают на частотах от 10 до 40 ГГц (длина волны от 3 до0.8 см). Датчики такого типа используются: для определения скорости самолетов, измерения скорости автомобилей. Ряд марок автомобилей имеет в качестве спидометра доплеровский радиолокационный датчик скорости. Датчик работает на длине волны 8мм, расположен под сидением водителя и облучает дорогу через радиопрозрачное окно. контроль скорости автомобиля (датчики, которые использует ГАИ), охранные датчики (регистрация движущихся объектов в помещении).
/>
Простейший датчик движения представляет собой два кускаволновода (скажем 23 x 10), сложенные вдоль узкой стенки. С одной стороныволноводы закорочены, и с помощью диафрагм в них организованы резонаторы,настроенные на частоту F0. СВЧ мощность излучается (попадает) в резонаторы черезотверстие связи в диафрагме. В одном резонаторе помещен диод Ганна (G) (илилавинно пролетный диод — ЛПД). При подаче определенного напряжения на диодтакая система начинает генерировать СВЧ колебания на частоте F0. Во второмрезонаторе размещен смесительный диод (M) — это приемник. Часть мощностиизлучаемого сигнала через отверстие связи в общей узкой стенке волноводапроникает в волновод приемника и далее в резонатор смесителя. Эта мощностьсмешивается с сигналом, отраженным целью на диоде-смесителе. В результате надиоде возникает низкочастотный сигнал с разностной частотой. Этот сигналиспользуется для измерения скорости цели (измеряется частота fL). Еслитребуется только регистрация наличия движущегося объекта, то простоанализируется, есть ли в напряжении на диоде переменная часть с амплитудой вышенекоторого порога. Система на двух волноводах (без рупорной антенны) имеетчувствительность в конусе с раскрытием порядка 70 градусов (вдоль осиволноводов).
/>

Рис.1 СВЧ установка Вопрос 34.
.
Операционным усилителем называется электронная схема, имеющаябольшой коэффициент усиления и два входа — инвертирующий и неинвертирующий.Операционные усилители могут использоваться в аналоговых вычислительных машинахдля выполнения различных операций (сложение, вычитание, умножение,дифференцирование, интегрирование). Каждая конкретная операция, выполняемаяоперационным усилителем, определяется его схемой включения и подключёнными кнему дискретными элементами.
Основными характеристиками операционного усилителя являютсяего коэффициент усиления по постоянному току, скорость нарастания выходногонапряжения, которая определяет его быстродействие, диапазон рабочих частот ит.д. Обычно операционные усилители имеют широкий диапазон рабочих частот (отнуля — постоянное напряжение — до нескольких мегагерц). Коэффициент усиленияоперационных усилителей варьируется в пределах от нескольких тысяч донескольких миллионов.
Основной особенностью операционного усилителя является то,что он усиливает разностное напряжение, т.е. разность напряжений на егонеинвертирующем и инвертирующем входе. Таким образом, передаточная функцияоперационного усилителя может записываться в упрощённой форме в виде:
/>
где K — коэффициент усиления по постоянному токуоперационного усилителя, x1 — напряжение на неинвертирующем входе, x2 — напряжение на инвертирующем входе, Umax — максимальное значение выходногонапряжения.
Таким образом, если разность входных напряжений по модулюбудет превышать Umax/K, то транзисторы усилительных схем операционногоусилителя войдут в состояние насыщения и на выходе установится значение Umax.Знак Umax соответствует знаку разности входных напряжений.
Операционный усилитель (ОУ) может использоваться не толькодля выполнения математических операций, но и в качестве усилителя ваудиоаппаратуре. При этом для обеспечения необходимого коэффициента усилениятребуется ввести цепь отрицательной обратной связи, которая снижает коэффициентусиления и увеличивает стабильность работы схемы. Глубина отрицательнойобратной связи регулируется в зависимости от требуемого коэффициента усиления.
Идеальный ОУ должен обеспечивать отсутствие наклона ипрямолинейность амплитудно-частотной характеристике в рабочем диапазоне частот,а также бесконечный коэффициент усиления. Иногда для выравнивания АЧХ внекоторой области частот к специальным выводам ОУ подключается корректирующаяёмкость.
ОУ функционально состоит из дифференциального усилителя иусилителя мощности. Дифференциальный усилитель собственно и обеспечиваетформирование разностного сигнала и его усиление. Усиление по мощности исогласование выхода дифференциального усилителя с цепями, подключёнными квыходу ОУ обеспечивается усилителем мощности. Дифференциальный усилитель собранпо симметричной мостовой схеме, состоящей из двух или четырёх транзисторов, несчитая транзисторов стабилизатора тока, подключённого к коллекторным илиэмиттерным (в зависимости от типа проводимости транзисторов) цепямтранзисторов. Дифференциальный усилитель имеет два входа, подключённыхсоответственно к неинвертирующему и инвертирующему входу ОУ. Нагрузочнаяспособность, максимальный выходной ток и максимальное выходное напряжениезависят от параметров усилителя мощности. В частности, максимальное выходноенапряжение также зависит от напряжения питания ОУ. Напряжение питания ОУ обычновыбирается двуполярным. Это определяется наличием дифференциального усилителя ипринципом работы электрического моста.
ОУ обычно выполняется в виде интегральной схемы.
Рассмотрим теперь работу аналогового компаратора напряжения,построенного на схеме с ОУ. Отличием компаратора от ОУ среди прочих являетсято, что выходной сигнал компаратора — цифровой, в то время как выходной сигналОУ — аналоговый. Преобразование аналогового сигнала ОУ в схеме компаратораможет осуществляться соответствующим преобразователем уровня для некотороготипа логики или диодным ограничителем.
Пусть имеются два напряжения — сравниваемое и образцовое. Сравниваемоенапряжение подано на неинвертирующий вход компаратора, а образцовое — наинвертирующий. Требуется, чтобы при равенстве этих напряжений на выходекомпаратора появилась логическая 1. Пусть сравниваемое и образцовое напряженияне равны. Тогда разность этих напряжений будет не равна нулю. При этом навыходе ОУ компаратора будет усиленная по напряжению разность входныхнапряжений. Заметим, что можно всегда подобрать коэффициент усиления ОУкомпаратора с таким расчётом, что даже малая разность входных напряжений будетдавать Umax на выходе ОУ. Пусть также на выходе ОУ стоит некоторая схема,которая на выходе формирует напряжение по модулю равное выходному напряжениюОУ. Этой схемой может являться диодный выпрямитель напряжения. Таким образом,если входные сравниваемое и образцовое напряжения хоть немного отличаются, навыходе схемы выпрямителя будет Umax, а если они точно равны, то на выходевыпрямителя будет 0. Если теперь пропустить это напряжение черезпреобразователь уровня и проинвертировать, то получим требуемый результатсравнения. Заметим также, что коэффициент усиления ОУ компаратора определяетширину импульса с амплитудой логической 1 на выходе компаратора при постояннойскорости изменения сравниваемого напряжения. Так как скорость сравниваемогонапряжения может изменяться, то и ширина выходного импульса компаратора можетизменяться при постоянном коэффициенте усиления ОУ. Для устранения этогоэффекта на выходе компаратора может также ставиться формирователь импульсовопределённой длительности при любой длительности входного импульса. Такойформирователь можно собрать на триггере Шмитта или блокинг-генераторе.
Если требуется, чтобы компаратор выдавал 1 при преобладаниисравниваемого напряжения над образцовым, схема выпрямителя на выходе ОУ преобразуетсядля пропускания только положительного напряжения, а формирователь на выходе ОУзаменяется триггером, который устанавливается в 1 при равенстве входныхнапряжений и сбрасывается, если напряжение на выходе ОУ отрицательно.
Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) используется дляпреобразования цифрового кода в аналоговое напряжение и используется не тольков качестве независимого элемента, но и входит в состав АЦП.
Принцип работы ЦАП основан на том, что единице в каждомразряде входного кода ставится в соответствие некоторое напряжение, котороедобавляется к выходному и имеет значение, пропорциональное весу разряда. Такимобразом, выходное напряжение пропорционально двоичному числу, определяемомувходным кодом. Обычно, ЦАП поддерживает выходное напряжение на том же уровне доприхода команды записи. Это обеспечивается введением в ЦАП триггеров. Еслизапись в ЦАП разрешена, то триггеры устанавливаются в значения, соответствующиезначениям разрядов входного кода. Если запись в ЦАП запрещена, то триггеры находятсяв состоянии хранения и выходное напряжение ЦАП остаётся на том же уровне.
Обычно, ЦАП собирается на резисторной матрице, управляемойэлектронными ключами. Электронные ключи обеспечивают подключение резисторовматрицы к положительному или отрицательному потенциалу источника питания.Электронные ключи должны иметь малое сопротивление в открытом состоянии и оченьбольшое сопротивление в закрытом. Это требование обеспечивается применениемполевых МОП транзисторов с изолированным затвором.
Существует по крайней мере две схемы построения ЦАП. ЦАП спрецизионными резисторами имеет резисторы с сопротивлением, обратнопропорциональным весам разрядов входного кода. При этом каждый такой резисторподключён к соответствующему электронному ключу. Если в соответствующем разрядевходного кода находится 1, ключ подключает резистор к положительному потенциалуисточника питания, обеспечивая добавление к выходному напряжению АЦПнапряжения, пропорционального весу данного разряда входного кода. Если всоответствующем разряде входного кода записан 0, то резистор отключается отположительного потенциала источника питания, не оказывая влияния на выходноенапряжение ЦАП. Недостатком подобного ЦАП является то, что резисторы, входящиев его состав должны иметь очень высокую точность значения сопротивления,которое не должно изменяться при изменении температуры. Если это не так, толинейность преобразования ЦАП нарушается и может зависеть от температуры идругих факторов.
Во втором типе ЦАП все резисторы имеют одинаковое сопротивлениеили разделены на две группы, сопротивления резисторов в каждой группе одинаковои отличается от другой группы в два раза. В цепи резисторов можетиспользоваться то свойство, что два резистора с одинаковым сопротивлением,включённых параллельно, имеют общее сопротивление, равное половинесопротивления каждого. В настоящее время ЦАП первого типа практически неиспользуются. Вопрос 44.
Для схем с очень высокими напряжениями и очень большимитоками созданы полупроводниковые приборы, называемые тиристорами. Один тиристорможет работать при напряжениях до 4000 В и токах до 4000 А. В преобразователяхтиристоры соединяют в каскады, рассчитанные на четверть миллиона вольт и более.
Тиристор состоит из двух транзисторов (npn и pnp),расположенных так, что коллектор pnp-части тиристора является базой npn-части,а коллектор npn-части – базой pnp-части. Если инжектировать небольшой ток вбазу npn-части, то он создаст для эмиттера прямое смещение, и возникнет токэмиттера. Этот ток, собранный коллектором npn-части, становится током базыpnp-части, который вызывает появление тока эмиттера этой части. Такой процессбудет повторяться до тех пор, пока вокруг общего коллекторного перехода несоберется заряд, достаточный для нейтрализации связанного заряда, и тогда напряжениена нем понизится до уровня ~0,7 В, соответствующего насыщению. Так происходит«включение» тиристора. «Выключается» же он при понижении тока ниже некоторогопорогового уровня, называемого удерживающим током. Если сделать площадьэмиттера достаточно большой, то легко можно переключать колоссальные токи.
Тиристоры пропускают ток только в одном периоде переменноготока; лишь с изобретением симистора появился настоящий полупроводниковыйпереключатель переменного тока для регуляторов электродвигателей, регуляторовосвещенности и других устройств. Симистор состоит из двух выполненных на однойкремниевой пластинке тиристоров, включенных параллельно, но противоположно.Один из тиристоров пропускает ток в одном полупериоде, а другой – в следующем.Для включения симистора предусматривается управляющий электрод. Чтобы выключитьего, нужно прервать ток. Интересной особенностью симисторов является то, чтоони проводят ток любого направления и могут переключаться либо положительным,либо отрицательным управляющим сигналомВопрос 54.
Данный тип реле применяется для коммутация нагрузок в цепяхпостоянного и переменного тока; для работы в цепях переменного тока спостоянным смещением; в импульсных источники питания; в устройствахавтоматического регулирования и управления.
Твердотельные оптоэлектронные реле с МОП — транзисторами навыходе являются альтернативой электромеханическим и полупроводниковым реле наоснове тиристоров.
Прибор состоит из инфракрасного светодиода, оптическисвязанного с матрицей фотодиодов, которые работают в фотовольтрическом режиме иуправляют выходным коммутирующим элементом, последний представляет собой паруМОП — транзисторов, соединенных истоками. При включении МОП — транзисторов впоследовательную цепь получается линейный переключатель постоянного ипеременного тока двунаправленного действия.
Основные характеристики малый ток управления   —   10: 30 мА наработка на отказ   —   25 000 часов коммутирование нагрузок в цепях постоянного и переменного тока; совместимость с ТТЛ / ТТЛШ, КМОП низкое сопротивление в открытом состоянии малые утечки в закрытом состоянии  —   менее 100 мА возможность коммутации малых токов   —   ~ 1мкА высоковольтная монолитная схема Uиз.   —   не менее 1500 В / не менее 4000 В диапазон рабочих температур   —   Вопрос 64.
На рис. 1, а показан виток провода abcd, вращающийся почасовой стрелке вокруг оси 00 в магнитном поле между северным (N) июжным (S) полюсами магнита. Направление мгновенной наведенной ЭДС показанострелками ab и cd; величина и знак ЭДС для положений 1, 2, 3 и 4 приведены награфике рис. 1, б. Когда плоскость витка перпендикулярна полю (положения 1 и 3),ЭДС равна нулю; когда же плоскость витка параллельна полю (положения 2 и 4),ЭДС максимальна. Кроме того, направление ЭДС в боковых частях витка (скажем,ab), когда они проходят мимо северного полюса, противоположно ее направлениюпри прохождении мимо южного полюса. Поэтому ЭДС меняет знак через каждуюполовину оборота в точках 1 и 3, так что в витке генерируется переменная ЭДС и,стало быть, течет переменный ток. Если предусмотреть в конструкциитокособирательные (контактные) кольца, то переменный ток пойдет во внешнююцепь.
/>    />         />     />
Конструкция. Генератор постоянного тока должен давать ток,который всегда течет в одном направлении. Для этого нужно переключать контактывнешней цепи в тот момент, когда ЭДС падает до нуля, прежде чем она начнетнарастать в другом направлении. Это делается с помощью коллектора, схематическиизображенного на рис. 1, в. В показанном простейшем случае он представляет собойкольцо, разрезанное на две части по диаметру. Один конец витка присоединен кодному из полуколец, другой – к другому. Щетки расположены так, что ониперекрывают зазоры между полукольцами, когда плоскость витка перпендикулярнамагнитному полю (в положениях 1 и 3) и ЭДС равна нулю. Как явствует из рисунка,каждый раз, когда ЭДС меняет знак, переключаются концы внешней цепи, так чтоток в ней течет всегда в одном направлении (рис. 1, г). Если к витку,показанному на рис. 1, в, добавить еще один, перпендикулярный ему, то его ЭДСбудет соответствовать кривой bb, сдвинутой относительно первоначальной на90 (рис. 2). Полная ЭДС будет соответствовать сумме двух кривых, т.е.значительно более гладкой кривой e. На практике используется большое числовитков и коллекторных сегментов (рис. 3), так что пульсации ЭДС незаметны.
/>       />Вопрос 74.
Автоматическое управление в технике, совокупность действий, направленных наподдержание или улучшение функционирования управляемого объекта безнепосредственного участия человека в соответствии с заданной целью управления.А. у. широко применяется во многих технических и биотехнических системах длявыполнения операций, не осуществимых человеком в связи с необходимостьюпереработки большого количества информации в ограниченное время, для повышенияпроизводительности труда, качества и точности регулирования, освобождения человека от управления системами,функционирующими в условиях относительной недоступности или опасных дляздоровья. Цель управления тем или иным образом связывается с изменением во временирегулируемой (управляемой) величины — выходной величины управляемого объекта.Для осуществления цели управления, с учётом особенностей управляемых объектовразличной природы и специфики отдельных классов систем, организуетсявоздействие на управляющие органы объекта — управляющее воздействие. Онопредназначено также для компенсации эффекта внешних возмущающих воздействий,стремящихся нарушить требуемое поведение регулируемой величины. Управляющеевоздействие вырабатывается устройством управления (УУ). Совокупностьвзаимодействующих управляющего устройства и управляемого объекта образуетсистему автоматического управления.
Система автоматического управления (САУ) поддерживает илиулучшает функционирование управляемого объекта. В ряде случаев вспомогательныедля САУ операции (пуск, остановка, контроль, наладка и т.д.) также могут бытьавтоматизированы. САУ функционирует в основном в составе производственного иликакого-либо другого комплекса.
САУ классифицируются в основном по цели управления, типу контурауправления и способу передачи сигналов. Первоначально перед САУ ставилисьзадачи поддержания определённых законов изменения во времени управляемыхвеличин. В этом классе систем различают системы автоматического  регулирования  (CAP), в задачу которыхвходит сохранение постоянными значения управляемой величины; системыпрограммного управления, где управляемая величина изменяется по заданнойпрограмме; следящие системы, для которых программа управления заранеенеизвестна. В дальнейшем цель управления стала связываться непосредственно сопределёнными комплексными показателями качества, характеризующими систему (еёпроизводительность, точность воспроизведения и т.п.); к показателю качествамогут предъявляться требования достижения им предельных (наибольших илинаименьших) значений, для чего были разработаны адаптивные, илисамоприспосабливающиеся системы. Последние различаются по способу управления: всамонастраивающихся системах меняются параметры устройства управления, пока небудут достигнуты оптимальные или близкие к оптимальным значения управляемыхвеличин; в самоорганизующихся системах с той же целью может меняться и еёструктура. Наиболее широки, в принципе, возможности самообучающихся систем,улучшающих алгоритмы своего функционирования на основе анализа опытауправления. Отыскание оптимального режима в адаптивных САУ может осуществлятьсякак с помощью автоматического поиска, так и беспоисковым образом.
Способ компенсации возмущений связан с типом контурауправления системы. В разомкнутых САУ на УУ не поступают сигналы, несущиеинформацию о текущем состоянии управляемого объекта, либо в них измеряются икомпенсируются главные из возмущений, либо управление ведётся по жёсткойпрограмме, без анализа каких-либо факторов в процессе работы. Основной тип САУ— замкнутые, в которых осуществляется  регулирование  по отклонению, а цепь прохождения сигналов образуетзамкнутый контур, включающий объект управления и УУ; отклонения управляемойвеличины от желаемых значений компенсируются воздействием через обратную связь,вне зависимости от причин, вызвавших эти отклонения. Объединение принциповуправления по отклонению и по возмущению приводит к комбинированным системам.Часто, помимо основного контура управления, замыкаемого главной обратнойсвязью, в САУ имеются вспомогательные контуры (многоконтурные системы) длястабилизации и коррекции динамических свойств. Одновременное управлениенесколькими величинами, влияющими друг на друга, осуществляется в системахмногосвязного управления или  регулирования .
По форме представления сигналов различают дискретные инепрерывные САУ. В первых сигналы, по крайней мере в одной точке цепипрохождения, квантуются по времени, либо по уровню, либо как по уровню, так ипо времени.
Простейший пример САУ — система прямого  регулирования   частоты  вращения   двигателя  (рис. 1).
/>
Рис. 1 Автоматическоеуправление
Цель управления — поддержание постоянной  частоты   вращения  маховика,управляемый объект —  двигатель  1; управляющее воздействие — положениерегулирующей заслонки дросселя 3; УУ — центробежный регулятор 2, муфта 4которого смещается под действием центробежных сил при отклонении от заданногозначения  частоты   вращения  вала 5, жестко связанного с маховиком. Присмещении муфты изменяется положение заслонки дросселя. Структурная схемарассмотренного примера (рис. 2) типична для многих САУ вне зависимости от ихфизической природы. Описанная система представляет собой замкнутую одноконтурнуюнепрерывную систему автоматического  регулирования  механического действия,допускающую линеаризацию при исследовании.
/>
Рис. 2 Автоматическое управление
 
Промышленность выпускает универсальные регуляторы, в томчисле с воздействием по производной, по интегралу, экстремальные регуляторы,для управления различными объектами. Специализированные САУ широко применяютсяв различных областях техники, например: следящая система управлениякопировально-фрезерным станком по жёсткому копиру; САУ металлорежущих станков спрограммным управлением от магнитной ленты, перфоленты или перфокарты(преимущества такого управления заключаются в относительной универсальности,лёгкости перестройки программы и высокой точности обработки деталей); системапрограммного управления реверсивным прокатным станом, включающая в свой контуруправляющую вычислительную машину. В относительно медленных технологическихпроцессах в химической и нефтяной промышленности распространены многосвязныеСАУ, осуществляющие  регулирование  большого количества связанных величин; так, при перегонкенефти информация о температуре, давлении, расходе и составе нефтепродуктов,получаемая от нескольких сотен датчиков, используется для формирования сигналовуправления десятками различных регуляторов. САУ играют важную роль в авиации икосмонавтике, например автопилот представляет собой САУ связанного  регулирования, а иногда исамонастраивающуюся систему. В военной технике применяются высокоточныеследящие системы, часто включающие вычислительные устройства (например, системауглового сопровождения радиолокационной станции). При анализе многихфизиологических процессов в живом организме, таких как кровообращение,регуляция температуры тела у теплокровных животных, двигательные операции,обнаруживаются характерные черты САУ.Вопрос 84.
Регулирование автоматическое (от нем. regulieren — регулировать, от лат. regula — норма, правило), поддержание постоянства (стабилизация)некоторой регулируемой величины, характеризующей технический процесс, либо еёизменение по заданному закону (программное регулирование) или в соответствии снекоторым измеряемым внешним процессом (следящее регулирование), осуществляемоеприложением управляющего воздействия к регулирующему органу объектарегулирования; разновидность автоматического управления. При Р. а. управляющеевоздействие u(t) обычно является функцией динамической ошибки — отклонения e(t)регулируемой величины х(t) от её заданного значения x0(t):e(t)= x0(t) — х(t)(принцип Ползунова — Уатта регулирования по отклонению, или принцип обратнойсвязи) (рис., а). Иногда к Р. а. относят также управление, при котором u(t)вырабатывается (устройством компенсации) в функции возмущающего воздействия f(нагрузки) на объект (принцип Понселе регулирования по возмущению) (рис., б), икомбинированное регулирование по отклонению и возмущению (рис., б).
/>
Для осуществления Р. а. к. объекту подключается комплексустройств, представляющих собой в совокупности регулятор. Объект и регуляторобразуют систему автоматического регулирования (CAP). САР по отклонениюявляется замкнутой, по возмущению — разомкнутой. Математическое выражениефункциональной зависимости желаемого (требуемого) управляющего воздействияu0(t) от измеряемых регулятором величин называется законом, или алгоритмом,регулирования. Наиболее часто применяемые законы Р. а.: П — пропорциональный (статический),u0 = ke, И — интегральный  (астатический),;
/>  ПИ — пропорционально-интегральный(изодромный), />, ПИД- пропорционально-интегральный с производной,
/>; здесь k — коэффициет усилениярегулятора, Ти и Тд — постоянные времени интегрирования и дифференцирования.Фактическое воздействие u(t) отличается от u0(t)вследствие инерционностирегулятора. CAP является динамической системой, процессы в которой описываютсядифференциальными, дифференциально-разностными и т. п. уравнениями.
САР может находиться в состоянии равновесия, в ней могутпротекать установившиеся и переходные процессы, количественные характеристикикоторых изучает теория автоматического регулирования (ТАР). В статическихсистемах регулирования установившаяся погрешность (ошибка ) eст при постояннойнагрузке (на объект) зависит от величины последней. Для повышения статическойточности увеличивают коэффициент усиления регулятора k, но при достижении имнекоторого критического значения kkp система обычно теряет устойчивость.Введение в регулятор интегрирующих элементов позволяет получить астатическуюсистему регулирования, в которой при любой постоянной нагрузке статическаяошибка отсутствует. ТАР изучает условия устойчивости, показатели качествапроцесса регулирования (динамическую и статическую точность, времярегулирования, колебательность системы, степень и запасы устойчивости и т. п.)и методы синтеза CAP, т. е. определения структуры и параметров корректирующихустройств, вводимых в регулятор для повышения устойчивости и обеспечениятребуемых показателей качества Р. а.
Наиболее полно разработана ТАР линейных систем, в которойприменяются аналитические и частотные методы исследования. Малые отклонения отравновесных состояний в непрерывных нелинейных системах Р. а. исследуютсяпосредством линеаризации исходных уравнений. Процессы при больших отклонениях испецифических особенности; нелинейных CAP (предельные циклы, автоколебания,захватывание, скользящие режимы и т. п.) изучаются методами фазовогопространства. Для изучения периодических режимов также применяют приближённыеметоды малого параметра, гармония, баланса и др. Устойчивость при большихотклонениях исследуется вторым (прямым) методом Ляпунова и методом абсолютнойустойчивости, разработанным: В.М. Поповым (Румыния).
Особое место в ТАР занимают дискретные системы Р.а., вкоторых осуществляется квантование сигнала. Из них наиболее изучены импульсныесистемы (с квантованием по времени), релейные системы (с квантованием поуровню) и цифровые системы (с квантованием по времени и уровню). Частный видрелейных систем — двухпозиционные регуляторы, в которых регулирующий органможет занимать лишь одно из двух крайних положений.Вопрос 94.
Управляющая машина, управляющая вычислительная машина(УВМ), вычислительная машина, включенная в контур управления техническимиобъектами (процессами, машинами, системами). УВМ принимают и обрабатываютинформацию, поступающую в процессе управления, и выдают управляющую информациюлибо в виде текста, таблицы, графика, отпечатанных на бумаге или отображаемыхна экране дисплея, либо в виде сигналов (воздействий), подаваемых наисполнительные органы объекта управления (см. рис.). Главная цель примененияУВМ – обеспечение оптимальной работы объекта управления. Управление с помощьюУВМ строится на основе математического описания поведения объектов.Отличительная особенность УВМ – наличие в них наряду с основными устройствами,входящими в состав всех ЭВМ (процессором, памятью и др.), комплекса устройствсвязи с объектом. К этому комплексу относятся устройства, осуществляющие ввод впроцессор данных (получаемых от датчиков величин, характеризующих состояниеуправляемого объекта), устройства, обеспечивающие выдачу управляющихвоздействий на исполнительные органы, а также различные преобразователи сигналов,устройства отображения информации.
/>
Различают УВМ универсальные (общего назначения) испециализированные. К специализированным относятся УВМ, ориентированные нарешение задач в системах, управляющих заранее определённым небольшим наборомобъектов (процессов). К универсальным относят УВМ, которые по своим техническимпараметрам и возможностям могут быть использованы практически в любой системеуправления. По способу представления информации УВМ делят на цифровые,аналоговые  и гибридные – цифро-аналоговые. Цифровые УВМ превосходят аналоговыепо точности управления, но уступают им в быстродействии. В гибридных УВМцифровые и аналоговые вычислительные устройства работают совместно, чтопозволяет в максимально степени использовать их достоинства.
УВМ является центральным звеном в системах автоматическогоуправления (САУ). Она осуществляет обработку информации о текущих значенияхфизических величин, характеризующих объект, и об их изменении, а такжевырабатывает управляющие сигналы, обеспечивающие заданные режимы его работы. Вавтоматизированных системах управления (АСУ) технологическими процессами УВМобычно работает в режиме советчика, выдавая оператору сведения о состоянииобъекта управления и рекомендации по оптимизации процесса управления, или(реже) в режиме непосредственного управления. По назначению и областииспользования УВМ подразделяются на промышленные, аэрокосмические, транспортныеи др.
Появление УВМ связано сразработкой бортовых вычислительный машин для военной авиации в начале 50-х гг.Так, например, одна из первых бортовых УВМ – «Диджитак» (США, 1952)предназначалась для автоматического управления полётом и посадкой самолёта, длярешения задач навигации и бомбометания. В ней использовалось около 260субминиатюрных электронных ламп и 1300 полупроводниковых диодов. УВМ занималаобъём 150 дм3 при массе 150 кг. В середине 50-х гг. были разработаны первыебортовые УВМ на транзисторах, а в начале 60-х гг. – первые бортовые УВМ наинтегральных микросхемах, в том числе несколько моделей со сравнительновысокими вычислительными возможностями. Примером такой УВМ может служить«УНИВАК-1824» (США, 1963), состоящая из арифметико-логического устройства,запоминающего устройства, блока ввода-вывода данных и блока питания; объём,занимаемый УВМ, 4,1 дм3, масса 7 кг, потребляемая мощность 53 вт (при этом нетребовалась система охлаждения или вентиляции); эта УВМ собрана на 1243интегральных микросхемах. В начале 60-х гг. УВМ применяли в системах управлениянепрерывными технологическими процессами (пример – УВМ RW-300, США, включеннаяв контур управления технологическими процессами производства аммиака). В такойсистеме управления воздействия, вырабатываемые УВМ, преобразовывались изцифровой формы в аналоговую и в виде электрических сигналов поступали нарегуляторы исполнительных механизмов. Непосредственное цифровое управлениенепрерывным технологическим процессом впервые было применено в 1962 в СССР (всистеме управления «Автооператор» на Лисичанском химкомбинате) и вВеликобритании (в системе управления «Аргус-221» на содовом заводе вг.Флитвуд). Для управления непрерывными технологическими процессами в СССР в60-х гг. были разработаны вычислительные машины «Днепр», «Днепр-2», ВНИИЭМ-1,ВНИИЭМ-3, УМ-1-НХ и др.
В середине 60-х гг.появилась тенденция к переходу от выпуска единичных моделей УВМ к выпускууправляющих вычислительных комплексов (УВК), которые строятся по агрегатномупринципу. УВК представляет собой набор вычислительных средств, средств связи собъектом и оператором, внутренней и внешней связи. Пример УВК – комплексМ-6000, входящий в агрегатированную систему средств вычислительной техники (АСВТ),разработанную в СССР (серийный выпуск с 1969). Конструктивно ЛСВТ представляетсобой набор модулей, из которых компонуют различные по структуре и назначениюУВК. В основном это комплексы для сбора и первичной обработки информации приуправлении различными технологич. процессами, научными экспериментамии т.п. УВК М-6000 состоит из универсального цифрового процессора,устройств ввода-вывода данных, агрегатных модулей сбора и выдачи аналоговой идискретной информации, агрегатных модулей для организации внутренней связи исвязи с др. комплексами. На базе
Одно изнаправлений развития УВМ – их агрегатирование на основе функциональных модулей,отвечающих требованиям единства входных и выходных параметров, стандартныхинформационных связей между модулями и унифицированного математическогообеспечения. При этом появляется реальная возможность компоновки (по заказупользователя) вычислительной системы нужной структуры. Пример – вычислительнаясистема Хьюлетт-Паккард-9600 (США), предназначенная для различных измерений иавтоматического регулирования, которая уже частично реализует это направлениеразвития УВМ. Основа этой системы – функциональный унифицированный модуль,представляющий собой микропрограммный процессор, агрегатируемый с другимифункциональными модулями. Для централизованного автоматического управлениягруппами территориально разобщённых объектов используют т. н. распределённыесистемы управления, которые включают центр обработки данных, оснащенный высокопроизводительнымиЭВМ, центральные и периферийные системы управления, объединённыеунифицированными системами связи. Использование в центре обработки данныхвысокопроизводительной ЭВМ позволяет обрабатывать информацию, поступающую отцентральных систем управления (которые работают в реальном масштабе времени), атакже осуществлять дистанционный ввод задач в центральные системы управления.Последние связаны с центром обработки данных и с периферийными системами,осуществляющими непосредственное управление объектами.
Большое внимание присоздании современных УВМ уделяется повышению надёжности их функционирования приодновременном снижении стоимости, массы и габаритов, а также повышениюнадёжности средств получения информации, её преобразования и выдачи.