Источник: Автоматизация производственных процессов в машиностроении. – М.: «Высшая школа», 2004. – 415с. (с. 274 - 280)

Общее представление об управлении технологическими объектами

      Характеристика систем управления
      Под технологическими объектами (ТО) в машиностроении понимают технологическое оборудование (станки, роботы и т. д.), обеспечивающее выполнение тех или иных ТП. Современные ТО представляют собой комплекс сложных динамических систем. Их сложность обусловлена высокими требованиями к производительности и точности работы ТО. Управление процессами и объектами в машиностроении осуществляется с помощью систем управления.
      Под управлением будем понимать процесс перевода ТО из одного состояния (начальное) в другое (конечное) за конкретный промежуток времени At с затратой заданного объема ресурсов.
      Система управления (СУ)—комплекс устройств и средств связи, обеспечивающий точное и согласованное во времени взаимодействие рабочих и вспомогательных агрегатов и устройств ТО в соответствии с заранее разработанной программой управления на основе принятого ТП.
      Системы ЧПУ позволяют все операции, связанные с пуском, остановкой, включением и выключением вспомогательных устройств, а также операции по обеспечению требуемых значений параметров (величин), определяющих ход ТП в управляемом объекте, выполнять без участия обслуживающего персонала, только устройствами автоматического управления.
      Следящими системами называются СУ, с помощью которых на управляемом объекте воспроизводится изменение входной величины произвольно заданной во времени и, как правило, с усилением по мощности.
      Программа—способ достижения цели с однозначным описанием процедуры его реализации. Программа функционирования ТО — совокупность команд, которые должен выполнять ТО.
      Разрешающая способность СУ—наименьшее изменение выходного параметра состояния ТО, которое может быть задано и зарегистрировано ее измерительной системой.
      Дискрета — минимальная теоретическая величина реакции ТО на единичное изменение управляющего сигнала.
      Основное назначение системы управления ТО—выполнение команд для поддержания требуемых значений параметров выполняемого ТП при заданной точности с наибольшей производительностью.
      Выбор СУ во многом зависит от специфики ТП, в котором эксплуатируется ТО, и от требований экономики.
      Система автоматического управления ТО должна выполнять следующие задачи:
      • реализовывать требуемые действия исполнительных механизмов;
      • обеспечивать заданные режимы ТП;
      • поддерживать требуемые параметры объекта производства;
      • выполнять вспомогательные команды.
      Основные требования к системам автоматического управления: управление сложным циклом функционирования ТО; высокая мобильность; точность при высокой надежности в работе; простота конструкции и низкая стоимость; дистанционность в управлении; возможность саморегулирования в процессе управления.
      Команды, задаваемые ТО в системах программного управления, делят на три категории.
      1. Технологические команды, обеспечивающие требуемые действия рабочих органов ТО при выполнении ТП.
      2. Цикловые команды, к которым относят изменения параметров ТО (например, переключение скорости и подач, выбор инструмента, выключение охлаждения, реверс и т. д.).
      3. Команды на выполнение служебной или логической информации, обеспечивающие правильность выполнения ТО всех задаваемых ему команд (обозначение адресов, знаки разделения команд, контрольные числа). Эти команды зависят от принятой системы их кодирования.
      По командной информации СУ классифицируют следующим образом.
      1. Системы управления, работающие на основе полной начальной информации: СУ с распределительным валом; копировальные СУ; цикловые СУ; системы с ЧПУ (СПЧУ).
      2. Системы управления, работающие на основе неполной начальной информации: экстремальные системы (обеспечивают оптимальное управление путем изменения управляющего воздействия); самонастраивающиеся СУ (обеспечивают оптимальное управление путем изменения параметров системы и управляющих воздействий); самоорганизующиеся СУ (обеспечивают оптимальное управление путем изменения ее структуры, параметров и управляющего воздействия); самообучающиеся СУ (обеспечивают оптимальное управление путем изменения алгоритма управления или параметра управляющего действия).

      Особенности систем управления станками
      Системы управления станками разделяют на централизованные, децентрализованные и смешанные.
      Централизованные (независимые) СУ управления характеризуются тем, что управление всем технологическим циклом станка-автомата и АЛ осуществляется с центрального командного пункта ТО независимо от действия и положения его исполнительных рабочих органов. Благодаря простоте схемы управления, надежности в работе, удобству обслуживания и наладки централизованные СУ получили наибольшее применение в станкахДецентрализованные СУ (их называют иногда путевыми) осуществляют управление с помощью датчиков (чаще всего путевых переключателей и конечных выключателей), включаемых на пути движущихся исполнительных органов ТО. Эти системы основаны на управлении, при котором все исполнительные органы связаны между собой так, что каждое последующее движение одного может происходить только после окончания движения предыдущим. Преимуществом такой СУ является отсутствие сложной блокировки, так как команды даются после окончания предыдущей операции.
      Смешанные СУ являются комбинацией первых двух систем. Здесь управление некоторыми элементами цикла осуществляется как в децентрализованной системе, а остальными—от центрального командного устройства.
      Системы управления, применяемые в ТО, весьма разнообразны как по своему назначению, так и по конструктивному оформлению. Однако в любом ТО можно выделить две основные части: управляющее устройство и управляемые узлы—агрегаты или другие рабочие органы, выполняющие заданный ТП.
      Технологический процесс характеризуется несколькими параметрами (подача, скорость, усилие, температура и т. д.), которые для правильного хода его выполнения поддерживаются постоянными или изменяются по определенному закону. Управляющее устройство воздействует на рабочий орган станка в соответствии с программой управления.
      При традиционных методах автоматизации весь объем информации, необходимый для изготовления деталей, воспроизводится в кулачках, копирах, шаблонах, упорах и других устройствах, с помощью которых эта формация затем передается ТО как программа обработки данной детали. Подобный способ усложняет подготовку и задание программы обработки. Такие СУ не могут обеспечить высокой гибкости и переналажи-ваемости оборудования на изготовление новой детали. Появление СЧПУ позволило коренным образом решить эту задачу.
      В ТО с цифровым программным управлением на всех этапах подготовки программы обработки, вплоть до ее задания ТО, оперируют только информацией в цифровой (дискретной) форме с рабочего чертежа детали. Это позволяет применять математические методы для подготовки программ и автоматизировать весь процесс их изготовления с помощью ЭВМ. В металлообработке среди автоматических систем управления широко распространены так называемые аналоговые системы, в которых в качестве программоносителей используют аналоги, определяющие перемещения исполнительных устройств станков (копиры, кулачки, упоры). Исходная информация о процессе отработки преобразуется и выдается в виде копируемой модели обрабатываемой детали. Например, натокарном станке упоры, расставленные по ходу движения, могут служить аналогом перемещений продольного и поперечного суппортов. Подобные системы называются замкнутыми, так как в них используют два потока информации: первый поток информации— положение конечного выключателя (программа), второй — фактическое положение исполнительного механизма.
      В незамкнутой СУ в формообразовании детали используется кулачок с профилем, соответствующим запрограммированной обработке. В этом случае аналогом перемещения исполнительного устройства является профиль кулачка.
      Копировальные системы управления используют в качестве программоносителя копир (или шаблон) и подразделяются на копировальные системы прямого и непрямого действия.
      Копировальные СУ непрямого действия обеспечивают снижение величины силы, действующей на шаблон (копир), за счет применения соответствующих усилителей, например гидроусилителя. Система имеет обратную связь, которая отслеживает положение штока золотника и стремится свести ошибку слежения к минимуму. При всей сложности такая система имеет большое достоинство — более высокую точность обработки и достаточно большой срок службы шаблона. Величина зазора А в золотнике является переменной и определяется текущей скоростью смещения его штока.
      Особенностью аналоговых систем управления ТО является такой вид программоносителя, при котором программа обработки фактически материализуется. Использование аналогового программоносителя обеспечивает неограниченные человеком возможности роста производительности обработки, но при этом сокращает возможность быстрой переналадки оборудования.
      Развитие аналоговых систем управления в направлении, при котором стал возможным ввод и смена управляющей информации непосред-ственно на рабочем месте, привело к созданию СЧПУ. В таких системах программа представляет собой информацию, кодированную определенным образом и носящую знаковый вид.
      Различают позиционные, контурные и комбинированные СУ.
      К позиционным системам программного управления (СПУ) относят системы, в которых траектория и скорость движения не программируются, а задаются только начальное и конечное положения управляемого органа станка. Эти системы служат только для совершения установочных движений. В них траектория перемещения рабочего органа может быть произвольной. Требования по точности предъявляют только к конечному положению рабочего органа (координатно-расточные станки, сверлильные, толкатели в транспортных системах и т. д.).
      К контурным СПУ относят системы, в которых осуществляется непрерывное управление движением двух или более исполнительных органов станка, что обеспечивает возможность обработки криволинейных контуров или поверхностей. В этих СУ требования по точности предъявляются к траектории перемещения рабочего органа и к текущему положению его в каждый момент времени.
      В ТО с программным управлением используют три фундаментальных принципа автоматического управления—принцип разомкнутого управления, обратной связи и компенсации.