Реферат: Автоматизация производственных процессов
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра «КиПРА »КОНТРОЛЬНАЯРАБОТАпо дисциплине:
«Автоматизация производственных процессов»
Вариант №8
выполнила: ст.гр.02ЗРК61
Мошняго В.
Проверил:Юрков Н.К.
2007г
Содержание
Вариант8148. Основныепринципы повышения производительности труда на основе совершенствования ТП
158. Методыоптимизации технологических процессов. Перечислите методы и сущность каждого
168.Классификация систем управления. Их характеристики
178.Функциональные системы программного управления. Характеристика
188. АСУ ТП свычислительным комплексом в роли советчика. Схема. Принцип работы
198.Классификация промышленных роботов
208. Системыавтоматического регулирования. Принципы построения и анализа
Литература
148. Основные принципы повышенияпроизводительности труда на основе совершенствования ТП
Под производительностью труда понимается количество продукции,изготовляемое в конкретный период времени, определяемый затратами рабочеговремени на единицу продукции. Затраты труда измеряются рабочим временем.
Рост производительности труда означает увеличение продукции,вырабатываемой в единицу рабочего времени, за счет экономии труда,затрачиваемого на единицу продукции. Практически ни одна отрасльпромышленности, ни одно предприятие не могли бы развить требуемых темпов, еслибы не опирались на систематическое повышение производительности труда.Производительность труда определяется в первую очередь его техническимвооружением, техническим прогрессом.
При организации нового производства закладывается более высокаяпроизводительность, так как при проектировании его учитываются все современныедостижения. На действующих предприятиях радиопромышленности ростпроизводительности труда обеспечивается путем реконструкции и модернизациитехнологических процессов и оборудования, внедрения комплексной механизации иавтоматизации.
Механизация и автоматизация процессов существенно меняютсодержание производственного процесса в отношении как режимов выполнения, так ивоздействия на изделие. Физическая сущность технологического процесса илиоперации, принципы управления ими и оптимальные режимы исследуются в основном влабораторных условиях. В цех переносят только отработанные процессы.
Установление наивыгоднейшего уровня автоматизации имеханизации определяется технико-экономическим расчетом по известнымпоказателям (производительности, себестоимости, приведенным затратам, срокуокупаемости капиталовложений и др.).
Под уровнем механизации и автоматизации понимается
/>;
/>,
где Т ма — сумма машино-автоматического времени, затрачиваемогона всех технологических, контрольно-испытательных операциях, выполняемых напоточной линии, участке или в цехе; Т мр — сумма машино-ручноговремени, затрачиваемого на всех операциях, выполняемых на линии, участке или вцехе; Т ш — сумма штучного времени (времени операции) на той желинии, участке или в цехе.
Механизация и автоматизация производственного и технологическогопроцессов должны рассматриваться как с точки зрения совершенствованияоборудования, технологического оснащения и качества процесса, так и с точки зренияобеспечения технико-экономической эффективности.
Существенное значение на повышение производительности трудаоказывают дифференциация процессов, специализация участков и рабочих мест.
1. Под дифференциацией процесса понимается расчленение его наоперации, а операций — на переходы и приемы. Концентрация процесса представляетсобой выполнение его за одно или за малое количество операций, переходов,приемов.
При расчленении процесса содержание операции упрощается;концентрированный процесс содержит, как правило, сложные операции и переходы.При дифференциации процесса создаются, как правило, более благоприятные условиядля специализации участков цеха и рабочих мест.
Концентрация процесса, особенно при сборке, может осуществлятьсякак на основе ручного труда, так и при использовании автоматизированногооборудования (стан ков-автоматов, сборочных машин). В области механическойобработки концентрация операций приводит часто к невозможности работать нанастроенном оборудовании, рабочий методом пробных проходов обрабатываетпоследовательно все поверхности детали.
При обработке и сборке дифференциация процесса приводит квозможности использования простого оборудования, организации потока безавтоматизации процесса, при простых ручных операциях сборки.
Степень дифференциации процесса определяется требованиямиконструкции, технологии и организации производства РЭА.
Разделение конструкции на блоки способствует дифференциациипроцессов, а замена нескольких простых деталей внутри блока одной сложной — егоконцентрации.
2. Унификация деталей и преемственность конструкции создаютусловия для концентрации процесса так же, как и применение элементовмикроэлектроники, замена обычного монтажа печатным. Расчленение конструкции набольшое количество простых деталей и узлов, применение большого количествакомплектующих изделий способствует дифференциации процессов обработки и сборки.
Требования точности, предъявляемые к изготовлению или сборкеэлементов РЭА, в большинстве случаев ведут к необходимости концентрациипроцесса на основе использования механизированного или автоматизированногооборудования, что снижает погрешности обработки и сборки при существенномповышении производительности процесса.
При нестабильных исходных материалах, форме и размерах заготовки,отсутствии автоматизированного оборудования более эффективными оказываютсядифференцированные процессы как обработки, так и сборки.
Типовые технологические процессы обычно строятся на основеконцентрированных операций, выполняемых на автоматизированном оборудовании.Групповые процессы в значительной степени дифференцированы по операциям присовмещении переходов. Такое построение дает возможность создатьпроизводительные автоматизированные операции для большого числа деталей,входящих в группу, даже при разной последовательности операций для каждой издеталей или узлов.
Концентрация обработки требует, как правило, значительных затратна технологическое оборудование и оснащение, что является экономическиоправданным при крупносерийном и массовом производствах, а также при мелкосерийном,основанном на групповом принципе.
При непоточном производстве технологическими границами расчлененияпроцесса являются: 1) получение законченного сборочного элемента; 2)возможность использования простого (универсального) или переналаживаемого технологическогооснащения (оборудования); 3) удобство планировки рабочего места и контроля; 4)обеспечение возможно меньшего удельного веса вспомогательного времени воперации; 5) установившиеся в данном производстве типовые и групповые операциикак по объектам, так и по содержанию группового процесса.
При поточном производстве его дифференциация определяется восновном ритмом и может осуществляться на базе как ручного, так иавтоматизированного труда.
Расчленение процесса дает возможность управлять ритмом изготовлениядетали, узла РЭА или ритмом их партии. Поэтому в ряде случаев расчленениепроцесса преследует решение задач организации производства. Это относится и кспециализации участков.
Технологический процесс может быть разбит на две части:выполняемые на участках, созданных по технологическому признаку, и напредметно-замкнутых участках.
На технологических участках процессы разрабатываются в основномкак типовые, что соответствует высокой степени специализации операций при общейих последовательности для многих объектов.
Для большинства изделий РЭА целесообразна организацияпредметно-замкнутых участков. Это обусловлено унифицированностью деталей иузлов, возможностью широкого применения в условиях серийного производствагрупповых технологических процессов и переналаживаемого оснащения. На этихучастках полностью завершается изготовление деталей (например, зубчатых колес,магни-топроводов, каркасов) или сборка узлов (например, плат печатного монтажа,конденсаторов переменной емкости). Групповые процессы, используемые на участкахэтого вида, как правило, сильно дифференцированы.
В условиях поточного производства дифференциация процесса можетрешаться как в пределах одной линии, так и при организации несколькихпараллельных поточных линий для выпуска одного и того же количества продукции,что и на одной поточной линии.
3. Параллельность процессов производства также существенно влияетна производительность.
Под принципом параллельности понимается параллельное(одновременное) выполнение отдельных частей (этапов, фаз, операций)производственного процесса, т. е. создание широкого фронта работ поизготовлению детали и сборке РЭА. Чем шире фронт работ, тем меньше при прочихравных условиях длительность производственного цикла.
Унифицированные детали и узлы, входящие во многие РЭА, также могутизготовляться параллельно. При создании конструкции РЭА, который должен бытьвыпущен в короткий срок, требование к возможности параллельного производстваего деталей и узлов является основным.
Параллельность связана с точностью выполнения технологическихопераций и контролем их результата, главным образом с точки зренияограниченности времени старения и в связи с этим необходимостью интенсификациипроцесса. Примером может служить совмещение в одной операции сушки и пропиткиобмотки, выполняемых циклически.
Параллельность в организации производственного процессапроявляется в следующих формах.
Параллельность в структуре технологической операции находит своевыражение в многоинструментальной либо многопредметной обработке или сборке.
Параллельность в изготовлении деталей и в их сборкепредусматривает одновременное выполнение работ над аналогичными или разнымидеталями, например при совмещении операций штамповки деталей с их сборкой.
Наибольшими возможностями с технологической точки зрения обладаютследующие два вида обеспечения параллельности процессов: 1) изготовление исборка на многопредметных поточных линиях одновременно нескольких РЭА или ихэлементов; 2) совмещение на автоматизированных поточных линиях изготовлениядеталей с их сборкой.
В первом случае за некоторыми рабочими местами на поточной линииможно закрепить операции по нескольким наименованиям изделий, если штучноевремя по этим операциям значительно меньше соответствующих ритмов выпуска.Естественно, что это требует общности всех или нескольких операций дляизготовляемых на поточной линии изделий, т. е. может быть выполнено на основеунификации конструкции различных изделий и типизации процессов изготовления ихдеталей и сборки. Однако последнее возможно не всегда.
4. При организации производственного процесса в целях увеличенияпроизводительности стремятся обеспечить кратчайший путь прохождения изделия повсем фазам и операциям процесса, от запуска исходного материала до выходаготового РЭА. Принцип прямоточности, отвечающий такому построениюпроизводственного процесса, может осуществляться как по предприятию в целом,так и в пределах цеха, участка, линии и отдельного рабочего места.
Создание прямоточного производства основано на конструктивных,технологических и организационных предпосылках.
Основным требованием оформления конструкции для обеспечения этогоусловия является разработка ее элементов таким образом, чтобы деталь или узелмогли быть изготовлены в одной фазе производства.
Эти требования могут быть распространены и на аппаратуру,выпускаемую в малых количествах, при условии высокой унификации ее элементов.Детали и элементы массового производства имеют прямоточный технологическиймаршрут.
Применительно к содержанию технологических операций это говорит онеобходимости внедрения методов массового производства в серийное.
5. Под принципом пропорциональности в организациипроизводственного процесса понимается пропорциональная производительность вединицу времени всех производственных подразделений — основных и вспомогательныхцехов и обслуживающих хозяйств завода, а в рамках этих цехов и хозяйств — участков и линий, групп оборудования и рабочих мест.
Пропорциональные производственные возможности всех основных цеховзавода позволяют считать, что при полном использовании имеющегося оборудованияи площадей каждый из цехов и все цехи, вместе взятые, обеспечат равномерныйвыпуск РЭА, которая по своему номенклатурному составу, количествам и срокамвыпуска будет соответствовать требованию комплектного и равномерного выпуска заводомготовой продукции.
Чем более тщательно разработана конструкция РЭА, тем легчеобеспечить требования пропорциональности производства. При недостаточнойпроработанности конструкции отдельные детали или узлы будут «узким местом» впроизводстве, что потребует непропорционального развития соответствующихрабочих мест, например, по обеспечению стабильности выходных параметроврегулировкой.
Хорошими методами улучшения пропорциональности являются повышениерасчлененности конструкции и унифицированности ее элементов.
К технологическим методам повышения пропорциональности процессовотносятся прежде всего их механизация и автоматизация.
Пропорциональность процесса может быть обеспечена и методамиорганизации производства. К их числу относятся в первую очередь совершенствованиепроизводственной структуры цехов и участков (например, созданиепредметно-замкнутых участков), планирование количества оборудования и егозагрузки по сменам, времени запуска в производство и выпуска деталей и узлов.
Обеспечение пропорциональности производства технологическимиметодами может быть получено в пределах нескольких участков или даже цехов:концентрацией процесса на одном или нескольких рабочих местах, удлинениемпоточных линий, применением механизированных групповых и типовых процессов.
Пропорциональность производственных процессов должнавосстанавливаться все время при последовательном их совершенствовании,связанном с повышением уровня механизации и автоматизации. При этом повышениепропорциональности должно достигаться на основе все более высокойпроизводительности, при экономической эффективности капиталовложений втехнологическое оснащение.
6. Устранение или уменьшение всякого рода перерывов в производствеРЭА можно обеспечить путем непрерывности технологических процессов. Устранениемежоперационных и внутриоперационных перерывов или их сокращение может бытьпредусмотрено при разработке конструкций, выполняемых непрерывнымпроизводственным процессом (например, применение корпусов, отливаемых поддавлением), а также осуществлено технологическими и организационными методами.В поточном производстве, например, за счет синхронизации операций перерывымежду ними могут быть сведены к минимуму или ликвидированы.
Применительно к отдельным технологическим операциям принципнепрерывности заключается в перекрытии машинным временем установки и снятиядеталей и сборочных элементов, их проверки, а также приемов управленияоборудованием.
При производстве РЭА непрерывность процесса повышается как приизготовлении деталей, так и при сборке, а также путем слияния процессаизготовления и сборки.
В сборочных цехах принцип непрерывности процессов при производствеРЭА находится еще (при обычном монтаже) не на достаточно высоком уровне.
Непрерывность процесса повышают также совершенствованиеместественных процессов (пропитки, сушки и др.) и, в частности, включением их впоток так же, как операций контроля и испытаний.
Иногда возможно объединение изготовления со сборкой и, вчастности, применение автоматизированного оборудования с программнымуправлением, что делает возможным обеспечить при его перестройке для сборкиразных изделий высокую непрерывность процесса.
7. Принцип ритмичности в организации производственного процессапредполагает выпуск в равные промежутки времени одинаковых или возрастающихколичеств продукции и соответственно этому повторение через эти промежуткивремени производственного процесса во всех его фазах и операциях. Различаютритм выпуска продукции (в конце процесса), операционный (промежуточный) ритм, атакже ритм запуска (в начале процесса).
Ритм выпуска может быть длительно устойчивым, если соблюдаютсяоперационные ритмы на всех рабочих местах, выполняющих отдельные операциитехнологического процесса, т. е. на всех рабочих местах должны комплектно иравномерно повторяться работы, обеспечивающие ритмичный выпуск продукции взаданных номенклатуре и количестве. Операционный ритм может быть обеспечентолько при соблюдении ритма запуска.
В сборочных цехах с устойчивой номенклатурой непрерывновыпускаемой" продукции для соблюдения установленного ритма необходимо,чтобы за каждый период ритма на каждой операции выполнялось столько сборочныхэлементов, сколько необходимо для выпускаемого в течение периода ритмаколичества годных радиоаппаратов или для обеспечения запланированного выпуска вследующем периоде ритма.
Ритмичность производства в сборочном цехе может быть существенноповышена при разработке групповых и типовых процессов, их унификации ипредварительной синхронизации.
Наиболее ритмичной является сборка на одно-предметных поточныхлиниях, где она может быть основана на дифференцированных, преимущественноручных операциях или на концентрированных автоматизированных.
158. Методы оптимизациитехнологических процессов. Перечислите методы и сущность каждого
МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ:
1. Алгоритмические.
2. Градиент.
3. Математическое программирование:
3.1 линейное;
3.2 нелинейное;
3.3 целочисленное;
3.4 динамическое;
3.5 статистическое моделирование.
4. Аналитические (формулы).
Многообразие видов ММ ТС и широкая область их примененияотражаются и в различии методов оптимизации. Целью оптимизации являетсявыделение из этого множества единственного варианта ТС, оптимальной понекоторому результирующему критерию или нескольким критериям качества.Сравнение ТС между собой по нескольким критериям качества однозначно можноосуществить с помощью принципа Парето. Согласно этому принципу одна системалучше другой, если соответствующие ей критерии качества имеют значения не хужекритериев качества сравниваемой системы. Причем хотя бы один из них должен бытьлучше соответствующего критерия другой системы. Принцип Парето позволяетупорядочить множество рассматриваемых систем и выделить в нем некотороеподмножество, внутри которого сравнение систем по указанному принципу уженевозможно. В тех случаях, когда нецелесообразно сужать поле поиска и вместе стем необходимо отбросить неоптимальные системы, требуется построение конкретнойпроцедуры реализации принципа Парето. Ее можно сформулировать как задачуоптимизации по одному из критериев качества, когда остальные критерии включеныв разряд ограничений.
Выбор единственной оптимальной системы возможен далее только путемвведения результирующего критерия, а полученная зависимость можетиспользоваться при этом как дополнительное ограничение. Рассмотренный вариантреализации принципа Парето не является единственным, это задачамногокритериальной оптимизации практически сводится к однокритериальной.Поэтому методы однокритериальной оптимизации имеют фундаментальное значение дляпроблемы оптимизации. Ввиду сложности современных ТС задача полной оптимизацииразделяется на ряд подзадач оптимизации. В первую очередь это задачиоптимизации элементов ТС и затем задачи оптимизации всей системы по частнымкритериям или по некоторому результирующему критерию. Элементы ТС могут быть болееили менее детально описаны математически, поэтому их оптимизация может бытьосуществлена аналитическими методами. Это в первую очередь метод множителейЛагранжа, метод геометрического программирования, градиентный методоптимизации.
Градиентный метод оптимизации и его обобщения используют свойствоградиента быть направленным в сторону максимального возрастания функциикачества. Поэтому если нет ограничений, то алгоритм сводится к генерированиюновой точки исходя из предыдущей с помощью следующего соотношения:
/>,
где /> — шаг перемещения из /> в />.
/>
Как видно, перемещение осуществляется из /> в /> в сторону противоположнуюнаправлению градиента. Более сложным обобщением градиентного метода являетсяалгоритм переменной метрики. Однако он требует вычислений разностей градиентовв последовательных точках, т. е. учитывает приращения второго порядка.Аналогичные добавки получаются и в методе сопряженных направлений.
Величина шага /> подбирается из условия, чтобыфункция имела в следующей точке первый локальный минимум по />. При наличииограничений существует несколько вариантов применения метода градиента:штрафных функций, проекции градиента.
Наиболее наглядным является метод перемещения к седловой точке дляфункции Лагранжа из некоторой начальной точки (/>, />).
При переходе к подсистемам более высокого иерархического уровнявозможности точного математического моделирования уменьшаются или же точные ММстановятся настолько сложными, что вышеуказанные методы применить нельзя. Внастоящее время в связи с широким внедрением средств вычислительной техникиполучили распространение численные методы оптимизации: метод наискорейшегоспуска, метод Ньютона, метод покоординатного спуска, симплекс-метод и др.
Особого упоминания заслуживает метод линейного программирования,поскольку широко используется аппроксимация линейными функциями различныханалитических и экспериментальных зависимостей. Этот метод следуетрассматривать не только как метод исследования операций. Существуют егомодификации, позволяющие решать задачи параметрического синтеза. Посколькумоделями функционирования большинства ТС являются динамические модели, вкоторых ТП представляется как некоторый многоэтапный процесс, то наиболееадекватной стратегией их оптимизации является стратегия динамическогопрограммирования. Успех применения того или иного метода оптимизации во многомзависит от выбора критерия качества, т. е. аналитической зависимости показателякачества от параметров />, по которым оптимизацияпроизводится.
Широко используются некоторые унифицированные аналитическиезависимости для представления критериев качества, инвариантные относительнометода оптимизации, а между тем выбор подходящей аналитической зависимости длякритерия качества позволяет повысить эффективность применяемого метода. Так,при использовании метода Ньютона неравноценны даже эквивалентные с точки зренияописания качества системы функции /> и />, аналитическая запись которыхотличается лишь знаком корня. В частности, для
/>
во втором случае точное решение получается за одну итерацию излюбой начальной точки, а в первом случае число итераций зависит от положенияначальной точки и может быть значительным.
Исходя из общих особенностей ТС можно дать некоторую схемуприменения методов оптимизации и используемых при этом критериев. Любая ТСпредполагает пространственно-временную организацию перемещения исходныхресурсов (материалов, комплектующих), промежуточных продуктов и законченногоизделия. Весьма широкий круг задач подобного рода допускает формулировку в видезадачи линейного программирования. В качестве критериев в данном случаевыступают общие затраты на транспортирование, временные затраты, затраты нареконструкцию существующих систем и т. д. Ограничения обычно носят характернеравенств, отражающих возможности средств транспортирования,производительности оборудования, ресурсы поставляемых материалов икомплектующих. Возможности оптимизации систем в целом с помощью методалинейного программирования позволяют на самом раннем этапе ее проектированияпросмотреть множество различных ее вариантов и получить весьма полезнуюдополнительную информацию для ее структурного синтеза. Здесь возможно получениеинформации об оптимальном размещении системы и рациональном выборе поставщикови т. д. Следует отметить, что применение линейного программирования неограничивается оптимизацией ТС, так сказать, в микромасштабе. Имеются весьмаважные области применения линейного программирования и для оптимизации ТП. Так,в современной технологии РЭА важную роль играет получение веществ с высокойгомогенностью состава. Задача синтеза таких веществ из исходного сырья,содержащего несколько компонентов, может быть сформулирована как некотораязадача равномерного приближения и решена с помощью метода линейного программирования.Как задача равномерного приближения формулируется также задача построениякинематических узлов с заданными свойствами.
Проектирование элементов ТС предполагает использованиепреимущественно нелинейных ММ и соответственно методов нелинейного программирования.В качестве обобщенного критерия здесь выступает производительность, надежностьпри ограничениях на затраты энергии, материалов, комплектующих. Среди указанныхметодов в настоящее время широкое распространение получил метод геометрическогопрограммирования.
Уникальным свойством геометрического программирования является то,что оптимальное значение критерия вычисляется до получения координатоптимальной точки. Это позволяет построить весьма экономичные вычислительныеалгоритмы при сравнении различных параметров ТС и облегчить структурный синтез.После проектирования элементов ТС осуществляется возврат к оптимизации системыв целом, но уже преследующий совершенно иные цели, чем при использовании методалинейного программирования. Наиболее важным становится оптимальноераспределение функций между отдельными элементами ТС. Математическая модельсистемы на этом этапе уже известна в наиболее законченном виде. Однако ввиду еесложности оптимизация на этом этапе встречает трудности вычислительногохарактера из-за большой размерности задачи. Наиболее важным методом оптимизациина этом этапе является метод динамического программирования.
Использование метода динамического программирования для указанныхсистем возможно в случае, если критерий качества является аддитивной функциейуправляющих переменных, каждая из которых регулирует процесс на определенномэтапе. Оптимальное значение управляющей переменной определяется состояниемсистемы в начале этого этапа и конечной целью управления и не зависит отэволюции системы на предыдущих этапах. Последнее условие соответствует принципуоптимальности Беллмана и является условием применимости динамическогопрограммирования. Динамическое программирование не является методом в строгомсмысле, а является некоторой общей стратегией, заключающейся в том, чтоисходная задача становится задачей многоэтапной оптимизации, каждый этапкоторой, начиная с конечного, использует информацию об оптимальном решении напредыдущем этапе. Эта информация в наиболее явном виде может быть представленав виде функционального уравнения, связывающего значение критерия качества наоптимизируемом этапе с оптимальным значением критерия качества на предыдущемэтапе. Управляющие переменные могут быть векторными величинами.
Другой трудностью использования динамического программированияявляется то, что функция качества не является выпуклой функцией и поэтомудостигаемый этим методом экстремум не является глобальным. Однако примерырешения задач методом динамического программирования показывают, что полученныерешения имеют достаточно хорошее качество.
В ряду методов оптимизации ТС заслуживают упоминания методнаискорейшего спуска и метод покоординатного спуска. Особую эффективность этиметоды имеют в случае имитационного моделирования ТС, применяемого в том случае,если производные критерия качества по управляющим переменным не могут бытьвыражены из-за сложности ММ в явном виде через управляющие переменные.Направление наискорейшего спуска оценивается по отклику критерия качества наизменения управляющих переменных. Оба указанных метода являются в настоящеевремя наиболее универсальными численными методами оптимизации и могут бытьреализованы в виде конкретных алгоритмов, позволяющих получить локальные, а вслучае выпуклости функции качества и глобальные экстремумы.
Метод случайного поиска может быть применен для оптимизации систембольшой сложности и большой размерности (т. е. зависящих от большого числапараметров). Для его реализации необходимы достаточно производительныегенераторы случайных (псевдослучайных) чисел.
Все эти методы оптимизации используются также в задачахоптимального управления ТП, в частности в задаче оптимального контроляпараметров ТП и качества выпускаемых изделий. Введение развитой системыконтроля качества, например, позволяет на ранних стадиях ТП отбраковыватьизделия и тем самым устранять затраты на обработку заведомо негодных изделий.Это приводит к задачам линейного и нелинейного, целочисленногопрограммирования. Задача оптимального управления ТП использует сложныединамические модели и требует привлечения самых мощных и универсальных методовоптимизации, среди которых метод случайного поиска зачастую оказываетсяединственно реализуемым.
Оптимизация современных ТС требует привлечения целого ряда методовоптимизации. Оптимизацию ТС можно рассматривать как некоторый многоэтапныйпроцесс с возможным циклическим повторением этапов. Разработчики ТС должны бытьзнакомы с широким кругом методов оптимизации, их возможностями и сравнительнойэффективностью. Проблема разработки универсального математического ипрограммного обеспечения методов оптимизации для современных ЭВМ в настоящеевремя, весьма актуальна и далека от разрешения.
Когда имеется одна достаточно четко выраженная цель, степенькоторой можно оценить на основе одного критерия, используются методыматематического программирования. Если эта цель, а следовательно, и степень еедостижения описываются с привлечением методов теории вероятностей илиматематической статистики, то используется стохастическое программирование.
Для анализа и синтеза ТП сборки и монтажа РЭА, оптимизации ихструктуры и принципов управления широкое распространение получил методстатистического моделирования. Его сущность состоит в создании специальногоалгоритма, реализуя который на ЭВМ, можно воспроизвести процесс по элементам ссохранением логической структуры и последовательности протекания процесса.
Метод статистического моделирования включает четыре этапа.
1. Составление содержательного описания процесса. Оно проводитсяна основе обстоятельного изучения процесса при выполнении натурногоэксперимента на реально существующей аппаратуре и оборудовании, а такжефиксации количественных характеристик. При отсутствии реального объектаиспользуются накопленный опыт и результаты наблюдений за процессамианалогичного назначения. Содержательное описание позволяет:
— составить ясное представление о физической природе иколичественных характеристиках ТП;
— расчленить ТП на ТО и простейшие элементы, определить ихпоказатели и параметры;
— составить схему взаимодействия элементов в операции, а операцийв ТП; определить закономерности изменения показателей процесса при измененииего параметров виде таблиц и графиков;
— сформулировать постановку задачи, значение начальных условий.
2. Построение формализованной схемы. На этом этапе уточняютсяколичественные характеристики ТП и дается строгое математическое определениевсех зависимостей между показателями и параметрами ТП, его отдельных элементов.Полученные на предыдущем этапе экспериментальные данные подвергаютсясистематизации с учетом случайного характера их получения. При формализацииразличают случайные события, случайные величины и случайные функции. Случайныесобытия задаются с помощью вероятностей или частостей их появления, случайныевеличины- законами распределения или их числовыми характеристиками: среднимзначением, среднеквадратическим отклонением, корреляционными моментами, аслучайные функции — средними значениями и корреляционными функциями. Взаключение устанавливается точная математическая формулировка задачи исследований.
3. Составление моделирующего алгоритма проводится на основепостроенной ММ. Для преобразования формализованной схемы в ММ необходимо,воспользовавшись готовыми математическими схемами (случайное событие, системамассового обслуживания и т. д.), записать в аналитической форме всесоотношения, которые еще не были записаны, выразить логические условия в видесистем неравенств, а также придать аналитическую форму всем другим сведениям,имеющимся в формализованной схеме. Числовой материал для удобства обработки наЭВМ используется не в первоначальном виде, а в форме аппроксимирующих функций.
Моделирующие алгоритмы чаще всего представляются в виде схемы, гдекаждый блок изображает достаточно крупную группу элементов ТП, а связи междублоками отражают логическую структуру ТП. Схема алгоритма не учитываетособенностей системы команд ЭВМ, они вводятся при построении развернутых схемсчета и программировании.
4. Разработка методики решения задачи и использование результатовмоделирования. Методика решения задачи определяется целью исследования.Количество реализаций процесса моделирования рассчитывается исходя из заданнойточности представления результатов. Полученные данные справедливы прификсированных значениях параметров процесса, входной информации и начальныхусловиях.
168. Классификация систем управления. Иххарактеристики
Выделяются шесть наиболее существенных признаков классификацииАСУТП, а именно: по характеру управляемого процесса; по сложности управляемогопроцесса; по степени охвата управляемого процесса; по степени автоматизациязадач управления; по функционально — алгоритмическому признаку; поархитектурному признаку.
По характеру управляемого ТП различают: АСУ основными непрерывнымиТП; АСУ основными непрерывно-дискретными процессами; АСУ основными дискретнымиТП; АСУ сборочными процессами в дискретном производстве; АСУ процессамиизготовления оснастки к инструмента для основного производства.
АСУ сборочными процессами представляют высший уровень комплексныхАСУТП и решают задачу координации в реальном времени ряда дискретных ТП илиопераций.
В последние годы АСУТП начали внедряться во многие процессыподготовки производства РЭА, например, в изготовление фотошаблонов дляинтегральных микросхем, теневых масок кинескопов и т.п.
Классификация по степени сложности управляемого ТП основывается наусловных границах числа параметров контроля и управления процессом. Например,20, 40, 100, 800 параметров. Несмотря на условность, такая классификация можетслужить основой для планирования разработок.
По степени охвата управляемого ТП выделяют комплексные и локальныеАСУТП.
По степени автоматизации задач управления выделяют системы савтоматическим сбором и обработкой информации; системы с автоматическойвыработкой советов оператору; системы автоматического управления процессом,иначе: информационные, информационно — советующие, управляющие.
Классификация по функционально-алгоритмическому признакуопределяет функции и степень совершенства алгоритма управления, реализуемогоАСУТП. Разделяют:
I — системы логико-программного управления;
II — системы экстремального управления;
III — системы адаптивного управления;
IV — системы организационно-технологического управления.
V — системы оптимально-координационного управления.
В таблице 3.1 дана сравнительная характеристика приведенных вашепяти АСУШ по степени совершенства алгоритмов управления. Римскими цифрамиобозначен класс АСУТП в соответствии с приведенной классификацией.
Классификация по архитектурному признаку:
— одноуровневые централизованные система на базе одногоуправляющего вычислительного комплекса, имеющего прямую связь со всемиисточниками и приемниками информации;
— одноуровневые централизованные с уплотнением каналов связи — системы на безе одного управляющего комплекса и систем уплотнения линий связи;
— двухуровневые с одной ЭВМ — системы на базе одной ЭВМ счастотным распределением функций управления на управляемые регуляторы и (или)программаторы, и (или) локальные посты управления;
— многоуровневые (двухуровневые), с многими ЭВМ — системы, вкоторых ЭВМ используется более, чем на одном уровне.
Таблица 3.1
Класс АСУТП Основные функции Примеры Основные источники экономической эффективности I Прямое цифровое управление по жёсткой или полужесткой программе одной или группой (в режиме разделения времени) технологических установок Группа механических обрабатывающих станков Повышение производительности труда, сокращение ошибок оперативного переноса, стабилизация ТП, сокращение штата работников II Автоматическое или с участием человека управление одной или несколькими операциями (ТП) по определенному алгоритму, обеспечивающему нахождение экстремума заданного критерия Установки эпитаксиаль-ного наращивания кремниевых структур Повышение качества и надежности выпускаемых изделий, увеличение выпуска продукции, организация номенклатурного распределения изделий III Автоматическое или с участием человека управление одной или несколькими операциями (ТП) по самонастраивающемуся алгоритму, обеспечивающему нахождение экстремума в условиях случайных внешних воздействий Трубопро-катные станы То же IV Автоматические и (или) полуавтоматические сбор, обработка, наглядное отображение технологической и организационно — производственной информации, управление с участием человека ходом Т Технологи-ческие линии производства Сокращение потерь рабочего времени, повышение оперативности управления, повышение качества управления ТП, сокращение простоев оборудования V Автоматическое или автоматизированное управление ходом взаимосвязанных ТП с динамической оптимизацией по критерию максимума выходного продукта Сборочные производства цветных кинескопов, автомобилей Увеличение выпуска продукции, повышение качества выпускаемых изделий, сокращение простоев оборудования178. Функциональные системы программногоуправления. Характеристика
Функциональные (контурные) СПУ осуществляют движение рабочегооргана по сложной траектории. При механической обработке эта траекторияопределяет контур будущей детали или части ее. Поэтому очень важно приуправлении функциональными СПУ обеспечить, чтобы траектория рабочего органа вкаждый момент времени совпадала с заданной. В общем случае эта траекторияпредставляет собой сложную функцию типа у = f (x) или z=f(x,y,z). Ввиду невозможностивоспроизведения такой траектории одним движением ее заменяют несколькимипростыми (однокоординатными) движениями поступательного и вращательного типа.Чтобы движение исполнительного органа было в соответствии с заданнойтраекторией (в общем случае криволинейной), необходимо в каждый момент времениподдерживать определенное соотношение скоростей и перемещений по управляемымкоординатам, т. е. должна быть между ними функциональная связь. Этуфункциональную связь с высокой степенью точности выполняет устройство,называемое интерполятором.
Функциональные СПУ применяют для автоматизации технологическогооборудования, где необходимо перемещать исполнительный механизм по сложнойкриволинейной траектории. Например, при производстве однослойных и многослойныхпечатных плат для вычерчивания токопроводящего рисунка на координатографе, приизготовлении деталей, имеющих сложный плоский или объемный контур (токарные,фрезерные, шлифовальные станки), а также в заготовительном и сварочномпроизводстве. Таким образом, функциональные СПУ автоматизируют рабочиеоперации. Эффективность применения функциональных СПУ особенно возрастает длятехнологических процессов, где длительность перемещения по сложному контурузначительно превышает Длительность холостых и вспомогательных операций примелкосерийном характере производства.
Требования по точности у них находятся в пределах: 0,005-0,05 мм —для высокоточных систем, 0,05-0,1 мм — для обычных функциональных СПУ;максимальные управляемые скорости составляют 0,6-1,5 м/мин у СПУ, применяемыхдля автоматизации обработки стальных деталей, до 3 м/мин — для обработки легкихсплавов, до 10 м/мин — — в координатографах.
В функциональных СПУ объем задающей информации может бытьзначительным (в зависимости от сложности технологического процесса), поэтомудля разработки программ здесь целесообразно применять универсальныевычислительные цифровые машины. Путь информации от чертежа к детали показан нарис. 2.1. При использовании УЦВМ связь ее с интерполятором может быть прямой(штриховая линия на рисунке), минуя ручное перфорирование.
На выходе интерполятора получается программа, пригодная длянепосредственного использования в системе программного управления станком. Этапрограмма записывается в унитарном коде (последовательностью импульсов) либо ваналоговой форме (в виде кривой) на магнитную ленту или фотоленту. Еслиинтерполятор является принадлежностью системы управления станком, тогда входомв эту СПУ будет служить программа, записанная на перфоленте, либо выход УЦВМ(штриховая и штрих-пунктирная линии на рис. 2.1).
/>
Рис. 2.1 Схема прохождения информации от чертежа к детали:
1 — чертеж; 2 — технологические карты и таблицы; 3 — ручнойперфоратор; 4 — универсальная цифровая вычислительная машина (УЦВМ); 5 —перфолента; 6 — интерполятор; 7 — магнитная лента; 8 — пульт программногоуправления (без интерполятора); 9 — система программного управления совстроенным интерполятором; 10 —станок; 11 — деталь.
188. АСУТП с вычислительнымкомплексом в роли советчика. Схема. Принцип работы
Основным инструментом для решения современных проблемуправления материальным производством служат так называемые АСУ, в которыхцентральная, главенствующая роль и творческие способности человека сочетаются сшироким применением современных математических методов и средств автоматизации,включая вычислительную технику.
АСУ — это человеко-машинная система, обеспечивающаяавтоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для оптимизацииуправления в различных сферах человеческой деятельности. Процесс оптимизациипредполагает выбор такого варианта управления, при котором достигаетсяминимальное или максимальное значение некоторого критерия, характеризующегокачество управления.
АСУП предназначена для решения основных задач управленияпроизводственно-хозяйственной деятельностью промышленного предприятия в целом и(или) его самостоятельных частей на основе применения экономико-математическихметодов и средств вычислительной техники.
Автоматизированная система управления технологическими процессами(АСУ ТП) — это АСУ для выработки и реализации управляющих воздействий натехнологический объект управления в соответствии с принятым критериемуправления. В АСУТП человек играет важнейшую роль, принимая в большинствеслучаев решения по управлению. Существенное место в АСУТП занимаютавтоматические устройства (в том числе средства ВТ), выполняющие операции попереработке информации. Цель функционирования АСУТП — оптимизация работытехнологического объекта путем соответствующего выбора управляющих воздействий.
Таким образом, АСУТП — совокупность автоматических устройствсредств получения, обработки и передачи информации и технического персонала,осуществляющая контроль и управление ТП с целью оптимизации по заданнымпараметрам.
АСУ может быть отнесена к классу АСУТП только в том случае, еслиона осуществляет воздействие на объект в том же темпе, что и протекающие в немтехнологические процессы, обеспечивает управление технологическим объектом вцелом, а ее технические средства участвуют в выработке решений по управлению.
Современные АСУТП очень разнообразны и могут отличаться друг отдруга по функциональному составу, степени автоматизации управления объектом,применяемым техническим средствам и многим другим признакам и характеристикам.Рассмотрим один из них.
АСУТП с вычислительным комплексом, выполняющим информационныефункции, содержат все функциональные и аппаратурные элементы, и еще имеет вналичии вычислительный комплекс (ВК), который выполняет функциицентрализованного контроля работа и состояния оборудования, вычисление комплексныхтехнических и технико-экономических показателей (рис. 5.1).
Вычислительный комплекс получает всю необходимую информацию осостоянии объекта, в том числе о регулируемых и управляемых величинах.Характерной особенностью рассматриваемого вида системы является то, что задачианализа поступающей информации принятие решений, а также осуществлениеуправляющих воздействий, возлагается на оператора.
Данные об объекте, полученные с помощью ВК, кроме выхода нацентрализованные средства отображения информации, могут либо передаваться ввышестоящую АСУ для дальнейшей обработки, либо выводиться на внешниенакопители. Целью сбора данных может быть также изучение TП при различных условиях.В результате накапливается информация, позволяющая построить и (или) уточнитьматематическую модель процесса. Ясно, что сбор данных не оказывает воздействия напроцесс, однако даже после внедрения самых сложных методов управления сиспользованием ВК сбор данных для анализа и уточнения модели оказываетсяполезным и почти всегда предусматривается как одна из задач вычислительногокомплекса.
/>
Рис. 5.1
Структурная схема АСУТП с вычислительным комплексом, выполняющимуправляющие функции в режиме «советчика», аналогична предыдущей (рис.5.1). Кроме функций, выполняемых ВК в предыдущей системе, на него возлагаютзадачи анализа поступающей информации и поиска оптимальных решений с выдачейрекомендаций (советов) по управлению оператору-технологу. Окончательный выбор иосуществление управляющих воздействий по-прежнему остается за оператором. ТакаяАСУ функционирует следующим образом: через заданные промежутки времени (обычнораз в 10-15 минут) полученные в ВК данные о состоянии объекта и комплексныетехнические и технико-экономические показатели анализируются с помощьюматематической модели управляемого процесса. Путем вычислений по моделиопределяются воздействия, необходимые для приближения процесса к оптимальномусостоянию, результаты представляются оператору, который управляет процессом,изменяя регулируемые механизмы в соответствии с рекомендациями, вырабатываемымиВК. При этом оператор выполняет роль следящего и координирующего звена и вноситизменения по советам ВК, который, в свою очередь, непрерывно помогает операторув его усилиях оптимизировать ТП.
Наиболее серьезный недостаток подобной системы заключается вбыстрой утомляемости операторов при необходимости перестраивать систему всоответствии с рекомендациями каждые 10-15 минут, причем количествоконтролируемых параметров может быть более 100. Вместе с тем такие системыудовлетворяют требованию осторожного подхода к новым способам управления,обеспечивая хорошие возможности проверки новых моделей процесса, так какконтроль за управлением ведет технолог, который может исключить неправильныеустановки.
198.Классификация промышленных роботов
Говоря обобщей классификации робототехнических систем, можно указать следующие ихбольшие классы:
— манипуляционные;
— мобильные движущиеся;
— информационные иуправляющие.
Наиболее развитыеи практическое применение получили манипуляционные робототехнические системыразличных типов.
Мобильныедвижущиеся робототехнические системы представляют собой некоторые платформы илишасси, перемещением которых управляет автоматика. При этом кроме программымаршрута движения они имеют запрограммированную автоматическую адресовку цели,могут автоматически нагружать и разгружать. В промышленных целях онипредназначаются для автоматической доставке деталей и инструмента к станкам иот станков к складам. На таких подвижных системах могут устанавливатьсяманипуляционные механизмы. К таково рода системам относятся движущиесяустройства для обслуживания автоматических складов в разных отраслях народного хозяйства.
В мобильныхробототехнических системах используют любые принципы движения. Они могут бытьколесными, шагающими, колесно-шагающими, гусеничными, летающими, плавающими ит.п.
Информационныеи управляющие робототехнические системы представляют собой некоторые комплексы измерительно– информационных и управляющих средств, автоматически производящих сбор,обработку и передачу информации.
Впромышленных целях – это системы автоматического контроля и управления дляпочти безлюдного производственного процесса, комплексно – механизированного, втом числе с групповым использованием промышленных роботов. Подобные системыприменяют и в автоматических системах проектирования, при выполнениитехнических и экономических расчетов и др.
Рассмотримболее подробно класс манипуляционных робототехнических систем. Их можноразделить на три вида (рис.1).
1. Автоматическиедвижущиеся роботы, автоматические манипуляторы и роботизированныетехнологические комплексы;
2. Дистанционноуправляемые роботы, манипуляторы, технологические комплексы;
3. Ручные, непосредственносвязанные с движением рук, а иногда и ног человека.
Первые из них применяют в основном в промышленномпроизводстве (промышленные роботы и роботизированные комплексы), а вторыеглавным образом – в экстремальных условиях, т.е. при наличии радиации,загазованности, взрывоопасности, высоких и низких температур и давлений. Третийвид применяют для погрузочно – разгрузочных и тяжелых работ.
Автоматически действующие манипуляционные роботы делят ивчетыре рода: жестковстроенные, программные, адаптивные и «интелектные». Вместотермина «род» применяют также «поколение». Но, поскольку жестковстроенныемашины еще не являются, роботами, они представляют собой нулевое («доработанное»)поколение. Программные — первое поколение, адаптивные – второе поколение,интелектные – третье поколение. Однако здесь в отличие от вычислительнойтехники эти поколения не сменяет друг друга, а существуют параллельно,развиваясь внутри каждого из них. Поэтому четвертого поколенья роботов нет, а искусственныйинтеллект третьего поколения может развиваться почти неограниченно по мереразвития науки я техники, а также возможность использования все новых поколениймикро ЭВМ.
Охарактеризуем каждое из этих покаленей автоматически действующихробототехнических систем.
Рисунок 1
Класс Манипуляционные робототехнические системы (роботы, манипуляторы и РТК) Вид Автоматически действующие Дистанционно управляемые Ручные Род Жестковстроенные Программные Адаптивные Интелектные Комендные Копирующие Полуавтоматические Супервизорные Диалоговые Шарнирно-балансирный ые ЭкзоскелетоныРазличные типы роботов /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
Жестковстроенные манипуляторы не имеют перестраевыемыхпрограммных управляющих устройств. Это механические руки (автооператоры). Онижестко связан с остальным технологическим оборудованием, подчиняясьопределенной программе технологического процесса в целом. Их применение, вчастности, характерно для замены ручного труда в массовом производстве,например, на линиях сборки механизмов на часовых заводах.
Программные роботы (первое поколение роботов) имеют управляемые приводыво всех суставах, и система управления легко переналаживается на различные,ручные операции. Но после каждой переналадки они повторяют многократно одну вту к же жесткую программу, в строго определенной обстановке, с определеннорасположенными предметами. Таково большинство современных промышленных роботов,выполняющих вспомогательных операций у штампов, станков, линейных машин и т.п.Такой робот будет совершать те же движения, если даже детали не на месте. Крометого, он требует создавал технологической оснастки упорядочивающей положениедеталей. Но это сделать не всегда просто, а, главное жесткая оснастказатрудняет переналадку роботе на новые операции. Поэтому целесообразно бываетусложнить систему управления самого робота, т.е. перейти к применению второгопоколения роботов.
Второе поколение — адаптивные роботы, т.е. такие, которые могутсамостоятельно в большей или меньшей степени ориентироваться в нестрогоопределенной обстановке, приспосабливаясь к ней. Для этого их снабжают,во-первых, каками-либо датчиками, реагирующими на обстановку, и, во-вторых,системой обработки информации от датчиков для выбора сигналов адаптивногоуправления, т.е. гибкого изменения программы движения манипулятора всоответствии с фактической обстановкой. В настоящее время в таких системах широкоиспользуют компактные микропроцессорные устройства.
Адаптивные промышленные роботы необходимы во всех случаях, когдатрудно создать строго определенную обстановку, при обходе препятствий, приработе с движущимися на конвейере деталями, в сборочных операциях, при дуговойсварке, окраске, нанесении покрытий и в других операциях. Адаптивные роботывторого поколения широко разрабатываются и эксплуатируются на производстве.
Третье поколение — интеллектные роботы с более богатымочувствлнием, с микропроцессорной обработкой информации, распознаваниемобстановки, с автоматической выработкой роботом решения о своих дальнейшихдействиях, для выполнения нужных технологических операций в неопределенной илименяющейся обстановке — это роботы с элементами искусственного интеллекта.
Дистанционно управляемые роботы и манипуляторы поклассификационной схеме делятся на пять родов:
манипуляторы с командным управлением,
копирующие манипуляторы,
полуавтоматические манипуляторы,
роботы с супервизовым управлением,
роботы с диалоговым (интерактивным) управлением.
Только два последних из них названа роботами, так как они наряду сдистанционным управлением имеют полностью автоматически режимы работы.
Манипуляторы с командным управлением отличаются тем, чточеловек-оператор включает по отдельности приводы каждого сустава манипуляторадистанционно путем нажатия на соответствующие кнопки или тумблеры. Такиеманипуляторы применяют, например, на обитаемых подводных аппаратах.
В таком же командном режиме часто производится «обучение» промышленногоробота с пульта управления. По аналогичному принципу работают и так называемыетелеоператоры, находящиеся в опасной зоне.
Копирующие манипуляторы, находящиеся в опаснойзоне, управляются дистанционно человеком — оператором с удаленного безопасногоместа при помощи задающего устройства, кинематически подобного рабочемуманипулятору. При этом движение каждого сустава задающего механизма передаетсяна соответствующий сустав рабочего манипулятора по принципу следящей системы.Такие манипуляторы применяют для работ при наличии радиации, загазованности и вдругих экстремальных условиях.
Полуавтоматические манипуляторы в отличие от копирующих в качествезадающего устройства на пульте оператора имеют компактную многостепеннуюуправляющую рукоятку, кинематика которой может быть произвольной, удобной длямалых движений руки человека. Снимаемые с нее электрические сигналыпреобразуются с помощью специализированного вычислителя в сигналы управления наприводы манипулятора. Здесь возможны различные алгоритмы управления.
Роботы с супервизорным управлением характеризуются тем, чтоэлементы выполняемых ими операций запрограммированы и могут воспроизводитьсяавтоматически. Человек-оператор, наблюдающий дистанционно за действиями робота,установленного в опасной зоне, подает только отдельные переуказательныекоманды, по которым включается та или иная программа автоматического действияробота. За человеком остается лишь функция распознавания обстановки и принятаярешений. После подачи им целеуказательной команды робот действует поопределенной программе. Если этот робот являемся адаптивным, точеловек-оператор может подавать более редкие и более «глобальные» команды.
Роботы с комбинированным управлением — это роботы, в которыхсочетаются автоматические режимы (как у роботов с супервизорным управлением) срежимами управления от руки (как у полуавтоматического или копирующегоманипулятора). Их применяют на необитаемых подводных аппаратах, вовзрывоопасных и горячих цехах, для безлюдной работы в шахтах, в атомнойэнергетике а т.п. Такое комбинированное управление используют в различных типахтелеоператоров.
Роботы с диалоговым (интерактивным) управлением, как правило,являются интеллективными, а отличаются от супервизовых тем, что робот не толькопринимает команды человека для их исполнения, но и сам активно участвует враспознавании обстановка и принятии решения, помогая в этом человеку-оператору.
Наконец третий вид манипуляционных робототехнических систем(ручные) делятся на шарнирно-балансирные манипуляторы и экзоскелетоны(усилители конечностей человека).
Шарнирно–балансный манипулятор представляет собой многозвенчатыймеханизм с приводами в каждом суставе, которые при любой величине удерживаемогоманипулятором груза (в пределах его rpyзoподъемности) при любом расположении звеньев в пространственаходится в равновесии. Поэтому человек, взявшись за рукоятку манипулятора,легко может перемещать большой груз. Двигая рукоятку, человек осуществляетподачу управляющих сигналов, при этом вся работа по перемещению груза выполняетсяприводами, размещенными в суставах манипулятора. Такие системы удобны дляпогрузочно- разгрузочных работ.
Экзоскелетоны — многозвенные механизмы, звенья которыхнепосредственно сопряжены с руками или ногами человека. В суставах механизма,соответствующих суставам человека, в этом случае также помещены управляемыедвигатели, берущие на себя всю тяжесть работы. Движения самого человекаформируют лишь сигналы управления. Такие системы применяют для усиленияконечностей человека. Это бывает полезно для выполнения тяжелых работ идвижения по труднопроходимой местности. Экзоскелетоны можно встраивать,например, в водолазные костюмы для облегчения и усиления действий водолазов,когда это необходимо.
На рис.1 вертикальными линиями показаны типа, на которые делится каждыйрод (поколение) роботов. Этих типов может быть достаточно много. Ониразличаются принципами и техникой построения управляющих устройств, приводов всуставах манипулятора, числом звеньев манипулятора, грузоподъемностью, видомочувствления, математическим программным обеспечением и т.п.
Для полной ориентации объекта необходимы три степени подвижности,которые обычно реализуются тремя вращательными парами, осуществляя поворотыохвата в горизонтальной, вертикальной плоскостях и вокруг оси схвата.
ПР могут быть колесными, гусеничными и стопоходящими (шаговыми).Тип рабочей зоны — одна из важных характеристик – это фигура описываемая припрохождении им предельно достижимых положений.
Для общей характеристики достаточно качественно определить типрабочей зоны — рабочая зова на плоскости, в сфере, на поверхностипараллепипеда, цилиндрическая, шарообразная или комбинированная.
Этим типам соответствуют разные системы координат.
Грузоподъемность — это масса перемещаемых изделий и орудий труда
да. Подразделяют:
— сверхлегкие (ряд грузоподъемностей 0,1; 0,16; 0,25; 0,4; 0,63;1,0 кг);
— легкие (1,5; 2,5; 4,0; 6,3; 10,0 кг);
— средние (16, 25, 63, 100 кг);
— тяжелые (160, 250, 400, 630, 1000 кг);
— сверхтяжелые (свыше 1000 кг).
Тип приводов — пневматический, гидравлический иэлектромеханический. Часто применяют комбинации, например, тип привода охватаможет отличаться от типа приводов звеньев манипулятора.
Типы систем управления разделяют по принципу управления: роботы спрограммным управлением, очувствительные роботы и роботы с искусственныминтеллектом.
В первом случае работает жесткая программа. Во-втором — управлениеведется с учетом фактического состояния внешней среды, в третьем — роботснабжают устройствами очувствления (сенсорикой), в виде тактильных, локационных,телевизионных и других устройств.
Системы управления очувствленных роботов делятся на неадаптивные иадаптивные. Роботы с искусственными интеллектами являются дальнейшим развитиемочувствлении роботов в части алгоритмов функционирования и соответствующегосенсорного обеспечения.
По типу движения по отдельным степеням подвижности системыуправления делятся на СУ непрерывного (контурного) и дискретного (позиционного)управления движением.
По числу управляемых ПР системы управления делятся на системыиндивидуального и группового управления.
Под классом точности позиционирования и воспроизведения траекторийобычно понимается абсолютная точность позиционирования схвата, однако болееобъективно класс точности определяется относительной погрешностью позиционированияили воспроизведения траекторий.
Относительная погрешность — это величина, характеризующая точностьПР и равная отношению абсолютной ошибки перемещения схвата в заданную точку кминимальному расстоянию от оси ближайшей к основанию робота кинематической парыдо границы рабочей зоны, выраженная в процентах. ПР различают также по типамисполнения — нормальное, пылезащитное, теплозащитное, взрывобезопасное и т.п.
Еще один признак — «назначения» по степениуниверсальности:
— специальные ПР — для деталей одного типа;
— специализированные — для деталей одного класса;
— универсальные ПР.
При классификации существующих и создаваемых роботов могут бытьиспользованы различнее подхода, наиболее распространенными из которых являютсяразделение (ПР) по поколениям.
К ПР первого поколения относятся наиболее простые, легкоперестраиваемые автоматы, вся последовательность действий которых заранееопределяется жесткой программой. Для таких систем оператор являетсяединственным источником информации о требуемых действиях и вводит ее в процессеобучения робота в запоминающее устройство. Информация, вводимая в процессепрограммирования, включает в себя данные о последовательности движений иположений звеньев манипулятора в соответствуйте моменты времени.
Для жесткопрограммируемых роботов в процессе обучения могут бытьприменены три способа программирования: ручной, полуавтоматический,автоматический. При ручном способе оператор участвует во всех этапахпрограммирования, имитируя перемещение захвата манипулятора в нужные точки рабочейзоны. При этом координаты точек записываются в кодах на программоноситель. Приполуавтоматическом программировании оператор участвует в нескольких этапахформирования программы. При автоматическом — задача оператора сводится кукрупненному формированию программы и предварительных давних управляющемуустройству.
ПPвторого поколения представляют собой гибкопрограммируемые устройства,оснащенные средствами, позволяющими получать информацию о свойствах внешнейсреды. Причем изменения окружающей обстановки должны быть заранее определенытак, чтобы в ходе выполняемой работы робот мог автоматически скорректироватьпрограмму в соответствии с ними (неадаптируемые ПР). Более сложные, такназываемые адаптивные (очувствительные) роботы могут заполнять различные операциив условиях заранее неизвестных изменениях окружающей обстановки.
К промышленным роботам третьего поколения относятсяустройства с развитой сенсорной системой, высоким уровнем автоматичности исамостоятельности поведения в изменяющейся неупорядочной среде. Их называютинтегральными роботами. Роль человека в управлении ими должна сводиться лишь кпринципиальному анализу обстановки, принятию решений, носящих обобщенныйхарактер, и выдаче целевых указаний на языке микропрограмм.
208. Система автоматического регулирования.Принципы построения и анализ
Рассмотрим структурную схему системы управления в общем виде (рис.7.1). Объект управления — это некий механизм, агрегат или устройство, либотехнологический, энергетический процесс, желаемое поведение и протеканиекоторого должно быть обеспечено.
/>
Рис 7.1
Поведение объекта управления, результат его действия определяютсянекоторыми показателями хn. Чаще всего ими являются значения физическихвеличин, которые называют выходными величинами объекта управления. К нимотносят наиболее важные для оценки поведения объекта и его практическогоиспользования величины.
Кроме этих основных параметров, работа объекта характеризуетсярядом вспомогательных параметров yi, которые также должны контролироваться ирегулироваться (например, поддерживаться постоянными).
В процессе работы на объект поступают возмущавшие воздействия f1, f2,…,fi, вызывающие отклонениепараметров xn. Информация о текущих значениях xn и yi поступает в системууправления и сравнивается с предписанными им значениями g1, g2,…,gк, в результате чегосистема управления вырабатывает управляющие воздействия Е1, Е2,..., Еm<sub/>для компенсации выходныхпараметров.
Входные воздействия, с точки зрения их влияния на действие объектаи на его выходные величины xn, разделяются на две принципиально отличныегруппы. Некоторые из входных воздействий обеспечивают желаемое изменениеповедения объекта, достижение поставленных целей. Такие входные воздействияназывают управляющими Еm и при их отсутствии задача управления вообще неимеет решения. При ручном управлении такие воздействия на объект осуществляетоператор, при автоматическом — система управления (см. рис. 7.1).
Другие входные воздействия fi, напротив, мешаютдостижению цели и изменять их, как правило, невозможно. Такие воздействияназывают возмущающими или помехами.
Задача управления, по существу, заключается в формировании такогозакона, при котором достигается желаемое поведение объекта.
Сложная и разносторонняя задача управления в подавляющембольшинстве случаев включает более узкую задачу регулирования. Задачарегулирования заключается в поддержании выходных величин объекта равными (илипропорциональными) некоторым эталонным функциям времени — задающимвоздействиям. Последние могут быть постоянными или изменяющимися как позаданному, так и по заранее неизвестному закону. В нашем случае объектамирегулирования выступают вспомогательные параметры yi.
Существуют различные принципы автоматического регулирования. Самыйпростой из них основан на использовании разомкнутых систем, применяемых в техслучаях, когда можно пренебречь влиянием возмущающих воздействий.
1. Разомкнутая система регулирования (рис.7.2) действует следующимобразом. При изменении задающего воздействия g формирующий элемент 3вырабатывает необходимое «указание» исполнительному механизму 2,Последний создает регулирующее воздействие z на объект регулирования1. В результате регулируемая величина y приближается с той или иной точностью к требуемомузначению.
Формирующий элемент и исполнительный механизм составляют регулятор.Регулятор и объект в совокупности образуют систему регулирования.
/> />
Рис 7.2 — Рис7.3
При конструировании подобного регулятора необходимо знать все свойстваобъекта регулирования, тогда при условии отсутствия возмущений можно правильнопредвидеть влияние задающего действия на регулирующею величину.
Область применения системы регулирования ограничена тем, чтонельзя пренебречь влиянием возмущений. При определенном задающем воздействии иразличных возмущениях выходная величена объекта (регулируемая величена) будетиметь разные значения и, следовательно, задача регулирования не будет решена. Всвязи с этим возникает необходимость контроля возмущений или хотя бы основногоиз них возмущения f (рис.7.3). Это возмущение нужно измерить и при его измененияхсоздавать дополнительное воздействие на объект, компенсирующее влияниевозмущений. В регуляторе оказывается необходимым еще элемента 4, который черезформирующий элемент 3 создает компенсирующее воздействие исполнительногомеханизма2 на объект 1
Рассмотренные системы является разомкнутыми: в них регулируемаявеличена yне влияет на действие регулятора. Это значит, что характер регулирующихвоздействий зависит от свойства объекта лишь в той степени, в какой это учтенопри конструировании регулятора. Однако из-за изменения свойств объекта» влияниявторостепенных возмущений действительное значение регулируемой величины можетзначительно отличаться от требуемого значения. К тому же, в подавляющембольшинстве случаев отсутствует исчерпывающая и достоверная информация освойствах объекта регулирования и о характере возмущений, и разомкнутые системырегулирования оказываются неэффективными. Поэтому прибегают к созданию болеесовременных замкнутых систем автоматического регулирования (САР).
2. В замкнутой системе используется принцип обратной связи. Такаясистема в простейшем случае (рис.7.4) состоит из объекта регулирования 1 ирегулятора, который кроме исполнительного элемента 2 и формирующего элемента 3имеет еще измерительный элемент 4 и элемент сравнения 5.
/>
Рис. 7.4
Измерительный элемент 4 осуществляет обратную связь в системе — обеспечивает влияние регулируемой величины y на вход системы. Сигнал y0, пропорциональныйрегулируемой величине, сравнивается с задающим воздействием g. Если регулируемаявеличина отклонилась от требуемого значения, то изменяется сигналрассогласования (сигнал ошибки) x=g-y0, который воздействует на элемент 3. Затем воздействие передаетсяна исполнительный элемент 2 и на объект. В результате отклонение регулируемойвеличины от требуемого значения устраняется (с определенной степенью точности).
Таким образом, в замкнутой системе воздействие на объектформируется не только в зависимости от задающего воздействия, как в системе,показанной на рис.2, но и от состояния объекте и наличия возмущений. Точнее,регулирующее воздействие определяется отклонением регулируемой величины отзаданного значения. Такие регуляторы носят название регуляторов по отклонению.Принцип обратной связи позволяет успешно решать задачу регулирования, несмотряна некоторую неопределенность или неточность в известных конструкторухарактеристиках объекта регулирования и исполнительного механизма, а такжесведениях о возмущениях.
Можно видеть, что в замкнутой САР по отклонению нет необходимостиполучать информацию непосредственно о задающем воздействия, котороеиспользуется лишь для сравнения с сигналом обратной связи, и о возмущениях,однако это допустимо не всегда. В некоторых случаях качество такогорегулирования оказывается неприемлемо низким. Тогда обеспечиваетсякомбинированное регулирование, т.е. сочетание принципов замкнуто — разомкнутойсистем.
3. При комбинированном регулировании создается дополнительнаясвязь 6 по возмущению (рис.7.5), которая компенсирует влияние возмущения«в основном», а замкнутый контур устраняет рассогласование,возникающее при изменениях задающего воздействия и вследствие неточностидействия дополнительной связи 6. Используются также комбинированные системы сдополнительной связью 7 по задающему воздействию (pиc. 6), которая иобеспечивает «в основном» его воспроизведение регулируемой величиной.Замкнутый контур в этом случае устраняет рассогласование, возникающее из-зa неточности действиядополнительной связи 7 и от возмущений.
/>/>Рис. 7.5 Рис.7.6Основным источником информации служит программа управления. Онаможет быть сообщена системе заранее. В программе даются сведения о характередвижения рабочих органов их синхронизации, режимах работы, различныетехнологические и другие команды.
Другим источниками информации является сам ТП. Существующиедатчики позволяют получить информацию о фактическом положении, скоростидвижения рабочего органа, размере обрабатываемых поверхностей к т.п. Этуинформацию называют информацией обратной связи, а датчик — датчиком обратнойсвязи.
Источником возмущений служит окружающая среда (температура,влажность, колебания припуска заготовки, уровень вибрации и др.).
Количество каналов информации структура определяют качество работесистем управления. Чем больше используется каналов информации, тем вышекачество работы системы, шире ее функциональные возможности.
Использование только одного канала информации значительно упрощаетконструкцию системы управления, однако нормальное функционирование такойсистемы требует высокого качества изготовления ее элементов.
В замкнутых системах управления, в которых для снижениятехнологических требований к отдельным элементам и повышения качества работасистем применяют обратные связи, используют два канала: канал задающейинформации к канал обратной связи. Сопоставление задавшей информации синформацией обратной связи осуществляется в сравнивающем устройстве, на выходекоторого вырабатывается команда, необходимая для управления приводом. Качествоработы замкнутой системы выше, чем разомкнутой, при некотором осложнении ееконструкции. В замкнутых системах управления обычно используются управляемыеприводы, структуру с замкнутой схемой управления имеют большинство системпрограммного управления и копировальные системы.
Для оптимального управления течением ТП необходимо использовать дваили более двух каналов дополнительной информации. Системы управления,использующие два или более двух каналов дополнительной информации и имеющиеустройство для коррекции управляющего сигнала, можно отнести к классуприспосабливающихся систем.
В зависимости от вида информации, которая используется системами,последние делят на непрерывные, импульсные и смешанные СУ.
Система управления всей работой технологического оборудованиявключает в себя ряд систем управления элементарными циклами работа отдельныхмеханизмов и осуществляет либо функциональное управление ИМЕ, либо простовключение, синхронизацию и блокировку. Такие системы называются системамиуправления общим автоматическим циклом или системами группового управления.
Закон регулирования в замкнутых САР определяется зависшеерегулирующего воздействия z от рассогласования x (см. рис. 7.4) Простейшими законами регулированияявляются пропорциональный когда z=c1x (система с П – регулятором). и интегральный, когда
/>
(система с И -регулятора). Более совершенны системы, когда взаконе регулирования кроме пропорциональной составляющей имеется интеграл отрассогласования:
/>
(система с ПИ — регулятором). Наилучшие результаты получаются привведении в закон регулирования еще и производной от рассогласования:
/>
(система с ПИД — регулятором). В комбинированных системах законрегулирования содержит, креме того, составляющих, зависящие от внешнихвоздействий.
Для обыкновенных САР достаточно определить реакции на некоторыеэталонные воздействия и затем делать выводы относительно влияния внешнихвоздействий произвольного вида. На этом основании при расчетах обыкновенных САРшироко используют метод передаточных функций и частотный метод.
Анализ устойчивости — это одна из основных задач анализа САР.Собственно, решение проблемы устойчивости и послужило началом теорииавтоматического регулирования.
Анализ динамического режима систем автоматического регулированияпозволяет получить очень важные сведения об устойчивости замкнутой системы и еебыстродействии, так как устойчивость определяет ее работоспособность, абыстродействие влияет на динамическую точность и производительность.
При замыкании система, удовлетворяющая всем требованиямустановившегося режима, часто оказывается неустойчивой. Неустойчивой системасчитается в том случае, если при снятии входного управляющего воздействия навыходе ее имеют место незатухающие колебания.
Следует отметить, что устойчивость, быстродействие и коэффициентусиления, являясь основными критериями оценки качества работы системы,находятся между собой в противоречии и между ними приходится искатькомпромиссное решение.
Математическая модель системы представляет собой дифференциальноеуравнение, устанавливающее количественные и логические зависимости между отдельнымиэлементами системы, а также между системой и объектом управления. Разработкаматематической модели упрощается при использовании «элементарныхдинамических звеньев», для которых известна дифференциальные уравнения ивсе необходимые характеристики. Однако наиболее развитые системы имеютматематическую модель в виде сложных дифференциальных уравнений высокогопорядка, решение которых в общем виде весьма трудоемко.
Одним из наиболее распространенных методов анализа САР являетсяметод преобразования Лапласа-Карлсона. Этот метод основан на том, что заданныеи искомые функции времени u (t ) (/>). При этом используетсяпреобразование Лапласа-Карлсона:
/>
Использование преобразования Лапласа позволяет такие трудоемкиеоперации, как дифференцирование и интегрирование функции времени при нулевыхначальных условиях, заменить соответственно делением и умножением на оператор р.
В результате, для получения изображения выходной величиныдостаточно изображение входной величины умножить на передаточную функциюсистемы:
Y(p)=x(p)W(p)
Метод применим для линейных уравнений с постояннымикоэффициентами. Решение дифференциальных уравнений при этом не намного прощеобычного, но использование таблиц с большим количеством изображений иоригиналов несколько упрощает анализ. Этот метод не дает представление окритериях качества.
Наиболее просто сведения о критериях качества определяютсяиз кривой переходного процесса, получающейся на выходе системы при подаче навход ступенчатого воздействия.
Рассмотрим типовую передаточную характеристику. О степениустойчивости здесь судят по величине перерегулирования h быстродействии — повремени переходного процесса tp или по времени Т0. Коэффициентусиления К у можно определить по кривой переходного процесса приподаче на вход системы скачка скорости.
Метод анализа переходного процесса СAP удобен приэкспериментальном определении показателей качества. Им удобно пользоваться приисследовании систем на аналоговых вычислительных машинах методом электронногомоделирования. Однако построение переходного процесса путем расчетовзатруднено.
Наиболее полные сведения о системе регулирования можно получить поамплитудно-частотной характеристике (АЧХ) замкнутой системы. Быстродействиесистема в этом методе характеризуется резонансной частотой />, полосой пропускания /> на уровне 1или частотой />при затухав сигнала до уровня0,707. Мерой устойчивости здесь служит показатель колебательности М. Процесспостроения этой характеристики тоже является трудным.
Одним из разновидностей частотного метода является методлогарифмических амплитудно — частотных характеристик.
Все методы применимы лишь к линейным или линеаризованным системам.Анализ нелинейных систем очень трудоемок.
Большое распространение получил метод моделирования на ЭВМ. Онимеет широкие возможности, позволяет, учитывать нелинейности, при этомснижается трудоемкость расчетов. Сущность метода моделирования заключается взамене системы или ее частей типовыми блоками, соединенными между собойопределенным образом. Электронная модель имеет туже же физическую сущностьописывается теми же дифференциальными уравнениями, что и реальная система,отличаясь от нее лишь масштабами и мощностью. Метод моделирования, удобноприменять в сочетании с другими методам в качестве подготовительных.
Литература
1. «Имитационное моделирование технологических систем»Юрков Н.К. Учебное пособие – Пенза: Пенз. политехн. Институт, 1989 г
2. «Комплексная автоматизация процессов производства РЭА»Юрков Н.К. Учебное пособие — Пенза: Пенз. политехн. Институт, 1985 г
3. «Управление технологическими процессами производстварадиоэлектронной аппаратуры» Юрков Н.К. Конспект лекций — Пенза: Пенз.политехн. Институт, 1986 г
4. «Технологияи автоматизация производства радиоэлектронной аппаратуры» Учебник для втузов И.П.Бушминский, А.П. Достанко, О.Ш. Даутов и др — М.: Радио и связь, 1989 г
5. «Технологиярадио электронного аппарата строения» П.И. Буловский, В.М. Миронов – М.:«Энергия», 1971 г