XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение:

Цифровое устройство – устройство, осуществляющее прием, хранение и преобразование дискретной информации по некоторому алгоритму.

Центром ситуационного управления (ЦСУ) назовем комплекс программно-аппаратных средств автоматизации реализации ситуационного подхода относительно процесса управления некоторым объектом.

Атрибутами ЦСУ являются:

1)Наличие средств вычислительной техники, которые автоматизируют реализацию ситуационного подхода и охватывают процессы:

сбора информации о объекте управления;

хранения информации;

формирования множества ситуационных переменных и описания ситуации;

отображения ситуации;

формирования ситуационной модели;

моделирование ситуации и осуществление параметрического анализа (относительно множества ситуационных переменных);

отображение динамики изменения ситуации;

протоколирования работы системы;

составления отчета.

2)Наличие средств коммуникации (как правило, основанных на современных сетевых технологиях).

3)Использование современных информационных, математических технологий и достижений искусственного интеллекта для решения организации процессов.

Цифровые элементы автоматики появились сравнительно недавно. Одним из первых распространенных цифровых устройств автоматики стал телеграфный аппарат, в котором входная буквенно-числовая информация преобразуется в цифровой код чередования электрических импульсов, который передается по проводным линиям к приемнику дешифратора кода.

В цифровых элементах автоматики происходит изменение не аналоговых сигналов, а структур, последовательностей электрических импульсов («1» и «0») цифровых двоичных, восьмеричных, двоично-десятичных и других кодов. Цифровые системы автоматики способны решать очень сложные задачи автоматизации, недоступные аналоговым системам автоматики.

Массовое производство цифровых интегральных микросхем разной степени интеграции обеспечивает широкие перспективы развития средств и систем цифровой автоматики.

По своему назначению все аналоговые, а также многие цифровые элементы автоматики можно подразделить на следующие группы:

• воспринимающие элементы (датчики) — это преобразователи контролируемых или регулируемых величин в выходные сигналы, удобные для дистанционной передачи и дальнейшей обработки; датчики служат прежде всего для контроля за изменением технологических параметров: размеров лесоматериалов, влажности древесины, температуры и давления среды, расхода энергии, сырья и т.д.;

• усилительные элементы представляют собой устройства, в которых осуществляется увеличение мощности управляющего (входного) сигнала за счет энергии вспомогательного (управляемого) источника питания, причем связь между выходным и входным сигналами непрерывная и однозначная;

• исполнительные элементы — это устройства, которые по командному сигналу воздействуют на объект управления, изменяя поток энергии или материала посредством перемещения регулирующего органа;

• релейные элементы представляют собой устройства, в которых непрерывное изменение входной величины вызывает скачкообразное изменение выходной величины; релейные элементы дают возможность при помощи малых мощностей управлять распространением больших мощностей,

• логические элементы осуществляют определенные логические зависимости между входными и выходными сигналами; используются для построения дискретных систем автоматического контроля, управления, а также для создания различных устройств, блоков цифровой информатики;

• регулирующие и управляющие элементы служат для стабилизации или изменения по соответствующему алгоритму, программе параметров процессов; они включают в себя устройства широкого диапазона, от простейших кнопок управления, простых регуляторов прямого действия до управляющих цифровых вычислительных машин.

Приведенный краткий обзор во введении показывают актуальность данной темы для современной науки и техники. Таким образом, целью данной работы является провести глубокий анализ использования искусственных нейронных сетей в промышленности.

Для достижения поставленной цели рассмотрим следующие задачи:

- принцип работы цифровых устройств автоматики;

- основные элементы автоматики.

- практическое применение устройств автоматики в различных областях человеческой деятельности.

1 Принцип работы цифровых устройств автоматики

При проектировании САУ решают, как наиболее простым и технико-обоснованным способом получить и передать необходимый объем информации. Для этого исследуют принципы построения систем. Основными принципами построения систем являются:

1.1 Принцип разомкнутого управления.

Данный принцип заключается в том, что алгоритм управления строится только на основе алгоритма функционирования путем предварительного выбора законов, определяющее действие управляемого устройства или регулятора с учетом свойств управляемого объекта. Алгоритм функционирования может задаваться отдельным устройством (ЗАФ) или может быть заложен в конструкцию управляющего устройства или регулятора.Примером данного принципа может служить пример разомкнутого цикла управления.Достоинством такого подхода является высокая скорость реагирования системы на внешние возмущения, поскольку для выработки управляющего воздействия не нужно ждать, пока управляющий сигнал пройдет через объект и возвратится в регулятор по цепи обратной связи. Кроме того, система с разомкнутым управлением в принципе не может быть неустойчивой, поскольку в ней отсутствует обратная связь.

1.2 Принцип управления по отклонению.

Этот принцип также именуется принципом Уатта-Ползунова. Рассматриваемый принцип управления основан на том, что управляющее воздействие в автоматическом устройстве управления или регуляторе вырабатывается с учетом информации об отклонении.

Управление величины от заданного значения. Чтобы реализовать этот принцип, в автоматическом устройстве управления или в автоматическом регуляторе должно происходить сравнение действительного значения y(t) с заданным или предписанным x(t), и в зависимости от результатов полученного сравнения, формируется управляющее воздействие. Примером реализации данного принципа может служить пример замкнутого цикла функционирования.

По замкнутому циклу САУ работает если соединить ее выход со входом АР или АУУ так, чтобы на него все время поступало 2 воздействия – с задатчика и с выхода ОУ, т.е. в рассматриваемой системе существует воздействие не только АУУ или АР на ОУ, но и ОУ на АУУ или АР.

1.3 Принцип управления по возмущению (принцип компенсации возмущения).

Рассматриваемый принцип основан на том, что управляющее воздействие в САУ выбираются в зависимости от результатов измерения возмущающего воздействия, оказывающего влияние на ОУ.

Управление вырабатывается в функции возмущения так, чтобы действие последнего на систему компенсировалось («упреждающее управление»).

Системы регулирования по возмущению обычно отличаются от систем с обратной связью большей устойчивостью и быстродействием.

Недостатки же принципа компенсации связаны с трудностями, которые возникают при измерении большинства возмущений, и, как следствие, с невозможностью их учета в полном объеме.

1.4 Принцип комбинированного управления.

Принцип комбинированного управления, когда алгоритм управления вырабатывается одновременно по возмущению и по отклонению. Такие САУ имеют два контура управления. В первом контуре (по возмущению) производится быстрое предварительное регулирование, а во втором контуре (по отклонению) производится медленная и точная регулировка. По такому принципу, с помощью ПЛК, происходит регулирование, например, давления пара в паровом котле. Используется в тех случаях, когда на систему действует много различных возмущений, один (или несколько) из которых оказывает наибольшее влияние на работу системы управления и может быть измерен.

Программируемые логические контроллеры (ПЛК) – это программно-управляемый дискретный автомат, имеющий некоторое множество входов, подключенных посредством датчиков к объекту управления, и множеством выходов, подключенных к исполнительным устройствам.

ПЛК имеют сложный алгоритм управления, но при этом обладают компактным размером и свободно программируются.

2 Основные элементы автоматики.

Любая САУ состоит из отдельно связанных между собой элементов.

Элементом автоматики называют часть системы, в которой происходит качественные или количественные преобразования физической величины, а также передача преобразованного воздействия от предыдущего элемента к последующему. Каждый такой элемент выполняет определенные функции, которые для него определяют технологический процесс или функционирование самой системы. Таких элементов в автоматике достаточно много. Рассмотрим основную группу этих элементов.

Датчики автоматики – это устройства, которые измеряют управляемые или регулируемые величины объектов управления и преобразовывают измеренные величины одной физической природы в другую (термосопротивления, термопары, переменные конденсаторы, фотоэлемент, тензодатчик и т.д.)

2. Элементы сравнения – они сопоставляют задающее воздействие x(t) и управляемую величину y(t). Получаемая на выходе таких элементов разность e(t)=x(t)-y(t) передается по цепи воздействия, либо непосредственно на исполнительный механизм. Элементы сравнения, как самостоятельная часть системы не применяется, а является составной частью других устройств, например, автоматических регуляторов (эл. мостовые схемы сравнения, потенциометры, пружинные элементы и др.)

3. Усилители – они в системах автоматики обычно используются для усиления задающего воздействия x(t) или разности e(t), когда мощности самих сигналов недостаточно для работы регуляторов (электронные, ионные, магнитные, электромагнитные усилители, редуктор, гидравлические усилители).

4. Исполнительные механизмы – они предназначены для измерения управляемых величин, или поддержания их в заданных пределах. Они предназначены для выработки более мощного воздействия на ОУ, нежели выходной сигнал регулятора (эл. двигатели – серводвигатели; соленоиды; гидро- и пневмодвигатели и т.д.).

5. Задающие элементы (элементы настройки). Они представляют собой устройства, при помощи которых в САУ подается задающее воздействие x(t) (потенциометры, вращающиеся трансформаторы и т.д.).

6. Корректирующие элементы – они предназначаются для улучшения регулировочных свойств системы в целом, или отдельных ее частей (дифференцирующие и интегрирующие цепи, нелинейные элементы и т.д.).

7. Командоаппараты – они предназначены для подачи в систему различных воздействий и команд (кнопки, выключатели, конечные выключатели и т.д.).

8. Элементы защиты – они предназначены для выполнения защитных функций, при недопустимых режимах работы (токовые реле, электротепловые реле, автоматические выключатели, предохранители и т.д.).

9. Контрольно-измерительные приборы – устройства для измерения и контроля различных величин и параметров (показывающие, самопишущие и т.д.).

Также к элементам автоматики относят автоматические регуляторы, объекты управления, сигнальная аппаратура.

Все элементы автоматики обычно указывают на функциональных и структурных схемах, внутри которых указывается либо назначение прибора, либо его передаточная функция и обязательно показывается действующие на элемент входные и выходные воздействия.

Каждый функциональный элемент выполняет элементарную функцию, которая заключается в получении преобразовании и передачи информации в виде сигналов определенной физической природы. Функциональные элементы предполагают устройствами одно направленного действия, т.е. передающими сигналы в одном направлении.

Всем элементам автоматики, независимо от их назначения присущи общие параметры:

1. Статическая характеристика;

2. Динамическая характеристика;

3. Передаточный коэффициент;

4. Погрешность;

5. Порог чувствительности.

Цифровые элементы всё чаще внедряются во всевозможные автоматические и

автоматизированные системы.

Их подразделяют на две группы: пассивные и активные.

-Пассивные следят за ходом процесса, но не вмешиваются в него, и только сообщают результаты измерений и в случае отклонений от нормы оповещают оператора об ошибке. К таким системам относятся аварийные оповещения на предприятиях, индикаторы поломки на станках, автомобилях и т.д.

-Активные же чаще всего заменяют человека там, где нужно обработать большое количество информации и при этом минимизировать вероятность ошибки, человеческого фактора

Классификация цифровых элементов автоматики по назначению:

А) чувствительные элементы (датчики) — это преобразователи контролируемых или регулируемых величин в выходные сигналы, удобные для дистанционной передачи и последующей обработки; датчики прежде всего отслеживают изменение технологических параметров: от простейшего изменения уровня воды в баке до размеров лесоматериалов, влажности древесины, температуры и давления среды, расхода энергии, сырья и т.д.;

К таким датчикам относят:

1 Цифровой датчик: содержит микроконтроллер, который выполняет предварительную обработку входного сигнала. На выходе такого датчика также будет какой-либо стандартный сигнал либо уже готовое измеренное значение в числовом виде.В первом случае выходной сигнал также изменяется по линейному закону, как и у аналоговых датчиков. Однако он уже не будет таким “плавным”, а будет иметь какую-то дискретность.

Например, если это напряжение, то у аналогового датчика оно будет изменяться максимально плавно. То есть дискретности практически не будет. Точность будет до почти бесконечного количества знаков после запятой, и ограничена она будет только точностью принимающих приборов.

У цифровых датчиков дискретность будет зависеть от разрядности АЦП (аналого-цифровой преобразователь). И диапазон входного напряжения будет изменяться не плавно, а, например, так: 0,01, 0,02, 0,03…9,99, 10.

2 Аналоговые датчики с преобразователями : измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, преобразующий одну аналоговую величину (аналоговый измерительный сигнал) в другую аналоговую величину (измерительный сигнал).

Аналоговые преобразователи используются в широких сферах:

• Общепромышленные нужды

• Сфера образования, стенды, лаборатории

• Опытное и наукоемкое производство

• Энергетика

• С/х, аграрный комплекс (терморегуляторы в инкубаторах)

• Промышленные АСУ

В) усилительные элементы - это устройства, в которых увеличивается мощность управляющего сигнала за счёт вспомогательного источника питания, при этом связь между сигналами непрерывная и однозначная.

исполнительные элементы – это устройства, которые по командному сигналу воздействуют на ОУ (объект управления), изменяют поток материала или энергии, перемещая регулирующие органы.

релейные элементы – это устройства, в которых непрерывные изменения входных величин вызывают резкое (скачкообразное) изменение выходных величин, так релейные элементы дают возможность регулировать распространение больших мощностей малыми.

Вторая группа - активные устройства. В некоторых случаях они выполняют контролируемый процесс намного плавнее и точнее, чем это может сделать человек.

Цифровая автоматическая система - это дискретная система, основанная на функциональном принципе. Как и дискретные, цифровые автоматические системы делятся на дискретную и непрерывную части. Функциональные схемы возможных вариантов цифровых автоматических систем.

Модуляция называется непрерывной, когда несущий сигнал х непрерывен во времени и функция непрерывна по обеим своим аргументам и дискретной, если сигнал х представляет собой дискретную функцию времени или функция дискретна по аргументу х.

3 Практическое применение устройств автоматики в различных областях человеческой деятельности

Цифровая автоматическая система - это дискретная система, основанная на функциональном принципе. Таким образом, цифровые автоматические системы представляют собой дискретные автоматические системы. Как и дискретные, цифровые автоматические системы делятся на дискретную и непрерывную части. Функциональные схемы возможных вариантов цифровых автоматических систем.

Поскольку цифровые автоматические системы обычно представляют собой системы со многими переменными, что является очень громоздкой задачей, на практике они обычно ограничиваются исследованием каждого контура управления с управляемой переменной y и эталонным действием x.

Функции центрального вычислительного устройства могут выполняться:

стационарные вычислительные устройства (компьютеры);

вычислительные устройства на базе микропроцессоров и микрокомпьютеров;

вычислительные устройства на базе цифровых сигнальных процессоров;

Вычислительные устройства, основанные на жесткой логике.

Первые два являются универсальными устройствами управления и могут использоваться для различных целей, третий - для приложений, а четвертый - для устройств специального назначения.

В системах цифровой автоматизации вычислительные устройства могут играть следующие роли:

автоматический регулятор;

автоматический регулятор и компаратор;

Корректирующее устройство.

Если в качестве вычислительного устройства использовать универсальный компьютер, то можно строить многофункциональные цифровые автоматические системы, тогда он обслуживает комплекс устройств, составляющих предмет регулирования:

система управления электростанцией;

система управления вспомогательными агрегатами;

система управления питанием;

система навигации и др.

3.1 Управление ЭВМ

ЭВМ (электронно-вычислительная машина) - это комплекс технических и программных средств, предназначенные для автоматизации подготовки и решения задач пользователей.

К основным характеристикам ЭВМ относятся:

Быстродействие - это число команд, выполняемых ЭВМ за одну секунду.

Сравнение по быстродействию различных типов ЭВМ, не обеспечивает достоверных оценок. Очень часто вместо характеристики быстродействия используют связанную с ней характеристику производительность.

Производительность - это объем работ, осуществляемых ЭВМ в единицу времени.

Применяются также относительные характеристики производительности. Фирма Intel для оценки процессоров предложила тест, получивший название индекс iCOMP (Intel ComparativeMicroprocessor Performance). При его определении учитываются четыре главных аспекта производительности: работа с целыми числами, с плавающей запятой, графикой и видео. Данные имеют 16- и 32-разрядной представление. Каждый из восьми параметров при вычислении участвует со своим весовым коэффициентом, определяемым по усредненному соотношению между этими операциями в реальных задачах.

Автоматическая обработка информации в ЭВМ осуществляется в процессе взаимодействия отдельных ее устройств и узлов. Координация этого взаимодействия с целью выполнения заданной последовательности преобразований информации возложена на устройство управления (УУ) ЭВМ. В основу организации УУ положен принцип программного управления по хранимой в памяти ЭВМ программе.

В процессе построения УУ решается ряд вопросов, связанных с выбором списка команд, реализуемых ЭВМ, организацией управления выполнением последовательности команд и операций, локализацией и доступом к хранимой в памяти информации и т.д.

ЭВМ общего назначения. Это такая архитектура вычислительных средств и программного обеспечения, которая позволяет единообразно решать большинство возникающих технических задач, включая задачи сопряжения с ЭВМ широкой номенклатуры внешних устройств и датчиков.

Использование ЭВМ общего назначения упрощает и ускоряет процесс разработки стандартного проекта в области автоматизации, однако конечное решение обычно не является оптимальным. ЭВМ общего назначения включает в себя стандартный набор компонентов:

- Центральный процессор (один или несколько) и арифметический сопроцессор.

- Быстродействующее запоминающее устройство.

- Внешние накопительные устройства различной природы.

- Мультимедийные (графическое и звуковое) устройства.

- Терминал пользователя (дисплей, клавиатура, мышь и т.п.).

- Средства сетевой поддержки.

- Возможность подключения дополнительных интерфейсных устройств, в том числе, и в виде контроллеров, присоединяемых к шине ЭВМ.

- Возможность установки разнообразного программного обеспечения.

На сегодняшний день этим требованиям в основном удовлетворяют персональные РС-совместимые компьютеры и контроллеры на базе их архитектуры. На такой базе строят системы автоматики, если к ним не предъявляются повышенные требования. Часто ПК используют на начальном этапе проектирования системы, когда требуется ускоренно получить работоспособную версию системы, необходимую для дальнейшей разработки. Обычно таким разработкам присущи следующие характерные недостатки:

- невысокая надежность, как аппаратной, так и программной части;

- узкий температурный диапазон, особенно в сторону отрицательных температур;

- низкое качество исполнения материнских плат и плат контроллеров;

- повышенный уровень помех и пульсаций по шинам питания.

Тем не менее, ПК с успехом используются в качестве интеллектуальных измерительных приборов. Например, осциллограф на базе ПК позволяет, помимо удобного и наглядного отображения процессов, вести их запись на диск для протоколирования и передавать по сети обобщающую информацию для диспетчерского управления более высокого уровня.

Специализированные ЭВМ и вычислительные комплексы. Это ЭВМ, имеющие функциональные возможности и конструктивные особенности, позволяющие использовать их для эффективного решения ограниченного класса задач в определённых условиях окружающей среды. Отличия от ЭВМ общего назначения могут быть разнообразными, например, процессор со специальной системой команд. Типичный пример - процессоры цифровой обработки сигналов (DSP), эффективные в задачах цифровой фильтрации в составе комплекса обработки данных ультразвуковой локации.

Вычислительный комплекс (ВК) - это комплекс средств ВТ, решающий прикладную задачу. В ВК могут входить разнородные компоненты. Обычно приходится применять специализированные или проблемно-ориентированные вычислительные средства для оптимизации окончательного решения при проектировании систем автоматического управления.

Управляющие ЭВМ (УВМ), управляющие ВК (УВК) и промышленные ПК. УВМ и УВК характеризуются набором возможностей работы в режиме реального времени. Эти возможности касаются как подсистемы ввода-вывода, так и свойств операционной системы. Также следует отметить возможности обнаружения сбоев и быстрого восстановления после них. Промышленные (индустриальные) ПК - это специально спроектированные ПК, совместимые со стандартными архитектурно и программно, но отличающиеся конструктивным исполнением. Цель - повышение надёжности, помехозащищённости и расширения диапазона параметров окружающей среды нормального функционирования (температурный диапазон и т.п.). Преимущество таких ПК - возможность отладки программного обеспечения на обычных ПК.

Рабочие станции. Обычно это персональные компьютеры, находящиеся на рабочих местах сотрудников, решающих конкретную задачу с помощью ЭВМ. Поэтому рабочие станции оборудованы всеми необходимыми устройствами ввода-вывода. Обычно рабочие станции входят в сеть, в которой также имеются мощные серверы, поставляющие информационные ресурсы и необходимое сетевое программное обеспечение, хранение которого на рабочих станциях нецелесообразно. Рабочие станции не предназначены для работы в реальном времени и используются на диспетчерском уровне и на рабочих местах разработчиков.

Управление системами на базе ЭВМ. Использование ЭВМ в контуре управления динамическими автоматическими системами связано с решением ряда проблем, вытекающих из особенностей ЭВМ как дискретной системы. В САУ с ЭВМ необходимо решать вопросы связи ЭВМ с объектом управления и работы ЭВМ в реальном масштабе времени, в ритме работы объекта управления. Связь ЭВМ с объектами управления усложняется при использовании цифровых машин для управления непрерывными автоматическими системами.

Заключение

В данной работе собрана и проанализирована информация про цифровые элементы автоматизации.

Была представлена классификация цифровых и аналоговых элементом автоматики, разобраны некоторые системы, основанные на этих элементах.

Так же описаны:

Центральное вычислительное устройство (ЦВП), устройства ввода или аналого-цифровые преобразователи (АЦП), Устройства вывода или цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). Перечислены функции центрального вычислительного устройства, роли вычислительных устройств в цифровой автоматизации, функции вычислительного устройства помимо прямого управления

Список литературы

Цифровые системы управления - https://books.ifmo.ru/file/pdf/2526.pdf (Дата обращения 05.11.2022).

Цифровые автоматические системы - https://pandia.ru/text/78/292/77697.php (Дата обращения 05.11.2022).

- Аналоговые и цифровые элементы автоматики - http://industrial-wood.ru/avtomatizaciya/5452-analogovye-i-cifrovye-elementy-avtomatiki.html. (Дата обращения 05.11.2022).

Основные принципы управления импульсными системами - https://studme.org/121821/tehnika/osnovnye_printsipy_upravleniya_impulsnymi_sistemami.(Дата обращения 05.11.2022)

-Аналоговые первичные измерительные преобразователи - Международный студенческий научный вестник (сетевое издание)- https://eduherald.ru/ru/article/view?id=20156 (Дата обращения 6.11.2022)

Код для цитирования: Скопировать