Objetos de automação e suas características

Objetos de automação (objetos de controle) — trata-se de instalações separadas, máquinas de corte de metais, máquinas, agregados, dispositivos, complexos de máquinas e dispositivos que devem ser controlados. Eles são muito diversos em propósito, estrutura e princípio de ação.

O objeto de automação é o principal componente do sistema automático, que determina a natureza do sistema, portanto, atenção especial é dada ao seu estudo. A complexidade de um objeto é determinada principalmente pelo grau de seu conhecimento e pela variedade de funções que desempenha. Os resultados do estudo do objeto devem ser apresentados na forma de recomendações claras sobre a possibilidade de automação total ou parcial do objeto ou a ausência das condições necessárias para a automação.

Características dos objetos de automação

O projeto de um sistema de controle automático deve ser precedido por uma pesquisa do local para estabelecer as relações do local. Em geral, essas relações podem ser representadas como quatro conjuntos de variáveis.

Uma perturbação controlada, cuja coleção forma o vetor L-dimensional H = h1, h2, h3, ..., hL... Eles incluem variáveis ​​mensuráveis ​​que dependem do ambiente externo, como os indicadores de qualidade das matérias-primas na fundição, a quantidade de vapor consumido na caldeira de vapor, o fluxo de água no aquecedor de água instantâneo, a temperatura do ar na estufa, que varia em função das condições ambientais externas e dos fatores que influenciam o processo. Para distúrbios controlados, as limitações são colocadas nas condições tecnológicas.

O indicador do processo tecnológico a ser controlado é chamado de quantidade controlada (coordenada), e a quantidade física pela qual o indicador do processo tecnológico é controlado é chamada de ação de controle (quantidade de entrada, coordenada).

Ações de controle, cuja totalidade forma um vetor n-dimensional X = x1, x2, x3, ..., xn... Eles são independentes do ambiente externo e têm o impacto mais significativo no processo tecnológico. Com a ajuda deles, o curso do processo é propositalmente alterado.

Para controlar as ações incluem o ligar e desligar de motores elétricos, aquecedores elétricos, atuadores, a posição das válvulas de controle, a posição dos reguladores, etc.

Variáveis ​​de saída, cujo conjunto forma o vetor de estado M-dimensional Y = y1, y2, y3, ..., yМ... Essas variáveis ​​são a saída do objeto, que caracteriza seu estado e determina os indicadores de qualidade do produto acabado .

Influências perturbadoras descontroladas, cuja coleção forma o vetor G-dimensional F = ε1, ε2, ε3, …, εG... Eles incluem distúrbios que não podem ser medidos por um motivo ou outro, por exemplo, devido à falta de sensores.

Arroz. 1.Entradas e saídas do objeto de automação

Estudar as relações consideradas do objeto a ser automatizado pode levar a duas conclusões diametralmente opostas: existe uma dependência matemática estrita entre as variáveis ​​de saída e entrada do objeto, ou não existe nenhuma dependência entre essas variáveis ​​que possa ser expressa por uma matemática confiável Fórmula.

Na teoria e na prática do controle automático de processos tecnológicos, foi adquirida experiência suficiente na descrição do estado de um objeto em tais situações. Neste caso, o objeto é considerado um dos elos do sistema de controle automático. Nos casos em que a relação matemática entre a variável de saída y e a ação de entrada de controle x do objeto é conhecida, duas formas principais de registro de descrições matemáticas são distinguidas - estas são as características estáticas e dinâmicas do objeto.

característica estática em forma matemática ou gráfica expressa a dependência dos parâmetros de saída na entrada. As relações binárias geralmente têm uma descrição matemática clara, por exemplo, a característica estática de dosadores de pesagem para materiais de fundição tem a forma h = km (aqui h é o grau de deformação dos elementos elásticos; t é a massa do material; k é o fator de proporcionalidade, que depende das propriedades do material do elemento elástico).

Se houver vários parâmetros variáveis, os nomogramas podem ser usados ​​como características estáticas.

A característica estática do objeto determina a formação subsequente de alvos de automação. Do ponto de vista da implementação prática na fundição, esses objetivos podem ser reduzidos a três tipos:

• estabilização dos parâmetros iniciais do objeto;

• alterar os parâmetros de saída de acordo com um determinado programa;

• alteração na qualidade de alguns parâmetros de saída quando as condições do processo mudam.

No entanto, vários objetos tecnológicos não podem ser descritos matematicamente devido à multiplicidade de fatores inter-relacionados que afetam o curso do processo, à presença de fatores incontroláveis ​​e à falta de conhecimento sobre o processo. Tais objetos são complexos do ponto de vista da automação. O grau de complexidade é determinado pelo número de entradas e saídas do objeto. Tais dificuldades objetivas surgem no estudo de processos reduzidos por transferência de massa e calor. Portanto, em sua automação, são necessárias suposições ou condições, que devem contribuir para o objetivo principal da automação - aumentar a eficiência da gestão, aproximando ao máximo os modos tecnológicos dos ideais.

Para estudar objetos complexos, é utilizada uma técnica que consiste na representação condicional de um objeto na forma de uma «caixa preta». Ao mesmo tempo, apenas as conexões externas são estudadas, nem a estrutura matinal do sistema é levada em consideração, ou seja, eles estudam o que o objeto faz, não como ele funciona.

O comportamento do objeto é determinado pela resposta dos valores de saída às mudanças nos valores de entrada. A principal ferramenta para estudar tal objeto são os métodos estatísticos e matemáticos. Metodologicamente, o estudo do objeto é realizado da seguinte maneira: os parâmetros principais são determinados, uma série discreta de mudanças nos parâmetros principais é estabelecida, os parâmetros de entrada do objeto são alterados artificialmente dentro da série discreta estabelecida, todas as mudanças nas saídas são registrados e os resultados são processados ​​estatisticamente.

Características dinâmicas um objeto de automação é determinado por várias de suas propriedades, algumas das quais contribuem para um processo de controle de alta qualidade, outras o impedem.

De todas as propriedades dos objetos de automação, independentemente de sua variedade, podem ser distinguidas as principais e mais características: capacidade, capacidade de auto-alinhamento e atraso.

Capacidade é a capacidade de um objeto de acumular o ambiente de trabalho e armazená-lo no objeto. A acumulação de matéria ou energia é possível devido ao fato de que existe uma resistência de saída em cada objeto.

A medida da capacidade do objeto é o coeficiente de capacidade C, que caracteriza a quantidade de matéria ou energia que deve ser fornecida ao objeto para alterar o valor controlado em uma unidade no tamanho de medição aceito:

onde dQ é a diferença entre o influxo e o consumo de matéria ou energia; ru — parâmetro controlado; t é hora.

O tamanho do fator de capacidade pode ser diferente dependendo dos tamanhos dos parâmetros controlados.

A taxa de variação do parâmetro controlado é tanto menor quanto maior for o fator de capacidade do objeto. Segue-se que é mais fácil controlar aqueles objetos cujos coeficientes de capacidade são maiores.

Auto nivelamento Esta é a capacidade de um objeto entrar em um novo estado estacionário após uma perturbação sem a intervenção de um dispositivo de controle (regulador). Objetos que possuem autoalinhamento são chamados de estáticos, e aqueles que não possuem essa propriedade são chamados de neutros ou astáticos . O autoalinhamento contribui para a estabilização do parâmetro de controle do objeto e facilita a operação do dispositivo de controle.

Os objetos de autonivelamento são caracterizados por um coeficiente (grau) de autonivelamento, que se parece com isto:

Dependendo do coeficiente de autonivelamento, as características estáticas do objeto assumem uma forma diferente (Fig. 2).

Dependência do parâmetro controlado na carga (perturbação relativa) em diferentes coeficientes de autonivelamento: 1-autonivelamento ideal; 2 — autonivelamento normal; 3 — falta de autonivelamento

A dependência 1 caracteriza um objeto para o qual o valor controlado não muda sob nenhuma perturbação, tal objeto não precisa de dispositivos de controle. A dependência 2 reflete o autoalinhamento normal do objeto, a dependência 3 caracteriza um objeto que não possui autoalinhamento. O coeficiente p é variável, aumenta com o aumento da carga e na maioria dos casos tem um valor positivo.

Um atraso — é o tempo decorrido entre o momento do desequilíbrio e o início da alteração do valor controlado do objeto. Isso se deve à presença de resistência e ao momento do sistema.

Existem dois tipos de atraso: puro (ou transporte) e transitório (ou capacitivo), que se somam ao atraso total no objeto.

O atraso puro tem esse nome porque, em objetos onde ele existe, há uma mudança no tempo de resposta da saída do objeto em relação ao tempo em que ocorre a ação de entrada, sem alterar a magnitude e a forma da ação. Uma instalação operando com carga máxima ou na qual um sinal está se propagando em alta velocidade tem o atraso líquido mínimo.

O atraso transitório ocorre quando o fluxo de matéria ou energia supera as resistências entre a capacidade do objeto.É determinado pelo número de capacitores e pelo tamanho das resistências de transferência.

Atrasos puros e transitórios degradam a qualidade do controle; portanto, é necessário se esforçar para reduzir seus valores. Medidas contribuintes incluem a colocação de dispositivos de medição e controle próximos ao objeto, o uso de elementos sensíveis de baixa inércia, a racionalização estrutural do próprio objeto, etc.

Os resultados da análise das características e propriedades mais importantes dos objetos para automação, bem como os métodos de sua pesquisa, permitem formular uma série de requisitos e condições, cujo cumprimento garante a possibilidade de automação bem-sucedida. Os principais são os seguintes:

• descrição matemática de relacionamentos de objetos, apresentados na forma de características estáticas; para objetos complexos que não podem ser descritos matematicamente — o uso de métodos matemáticos e estatísticos, tabulares, espaciais e outros para estudar as relações de um objeto com base na introdução de certas suposições;

• construção das características dinâmicas do objeto na forma de equações diferenciais ou gráficos para estudar processos transitórios no objeto, levando em consideração todas as principais propriedades do objeto (capacidade, atraso, autonivelamento);

• a utilização no objeto de tais meios técnicos que assegurem a liberação de informações sobre a alteração de todos os parâmetros de interesse do objeto na forma de sinais unificados medidos por sensores;

• o uso de atuadores com acionamentos controlados para controlar o objeto;

• estabelecer limites conhecidos de forma confiável de mudanças nas perturbações externas do objeto.

Os requisitos subordinados incluem:

• determinação das condições de fronteira para automação de acordo com as tarefas de controle;

• estabelecimento de restrições às quantidades de entrada e ações de controle;

• cálculo de critérios de otimalidade (eficiência).

Um exemplo de objeto de automação é uma instalação para a preparação de areias de moldagem em uma fundição

O processo de fabricação das areias de moldagem consiste em dosar os componentes iniciais, alimentando-os ao misturador, misturando a mistura acabada e alimentando-a nas linhas de moldagem, processando e regenerando a mistura gasta.

As matérias-primas das misturas areia-argila mais comuns na produção de fundição: mistura de resíduos, areia fresca (filler), argila ou bentonita (aditivo aglutinante), carvão moído ou materiais carbonáceos (aditivo antiaderente), refratários e aditivos especiais (amido , melaço) e também água.

Os parâmetros de entrada do processo de mistura são os custos dos materiais de moldagem especificados: mistura gasta, areia fresca, argila ou bentonita, carvão moído, amido ou outros aditivos, água.

Os parâmetros iniciais são as propriedades mecânicas e tecnológicas exigidas da mistura de moldagem: resistência seca e úmida, permeabilidade a gases, compactação, conformabilidade, fluidez, densidade aparente, etc., que são controladas por análises laboratoriais.

Além disso, os parâmetros de saída também incluem a composição da mistura: o teor de aglutinantes ativos e eficazes, o teor de carvão ativado, o teor de umidade ou o grau de molhagem do aglutinante, o teor de finos - partículas finas absorventes de umidade e a composição granulométrica da mistura ou o módulo de finura.

Assim, o objeto do controle do processo é a composição constituinte da mistura. Ao fornecer uma composição ótima dos componentes da mistura acabada, determinada experimentalmente, é possível alcançar a estabilização em um determinado nível das propriedades mecânicas e tecnológicas da mistura.

As perturbações a que está sujeito o sistema de preparação da mistura dificultam muito a tarefa de estabilização da qualidade da mistura. O motivo da perturbação é a presença de um fluxo de recirculação - o uso da mistura de resíduos. A principal desvantagem no sistema de preparação de mistura são os processos de vazamento. Sob a influência do metal líquido, na parte da mistura próxima ao fundido e aquecida a altas temperaturas, ocorrem mudanças profundas na composição do ligante ativo, carvão e amido e sua transição para um componente inativo.

A preparação da mistura consiste em dois processos consecutivos: dosagem ou mistura da mistura, que garante a obtenção da composição necessária do componente, e mistura, que garante a obtenção de uma mistura homogênea e confere a ela as propriedades tecnológicas necessárias.

No processo tecnológico moderno para a preparação de misturas de moldagem, são utilizados métodos contínuos de dosagem de matérias-primas (moldagem), cuja tarefa é produzir um fluxo contínuo de uma quantidade constante de material ou de seus componentes individuais com desvios de vazão do dado não mais do que o permitido.

A automação do processo de mistura como um objeto de controle pode ser feita com o seguinte:

• construção racional de sistemas de preparação de uma mistura, permitindo excluir ou reduzir a influência de perturbações na composição da mistura;

• o uso de métodos de dosagem de pesagem;

• criação de sistemas de controle conectados para dosagem de vários componentes, levando em consideração a dinâmica do processo (inércia e atraso do misturador), e o componente principal deve ser a mistura gasta, que apresenta flutuações significativas na vazão e na composição;

• controle automático e regulação da qualidade da mistura durante sua preparação;

• criação de dispositivos automáticos para controle complexo da composição e propriedades da mistura com processamento dos resultados do controle em um computador;

• alteração oportuna da receita da mistura ao alterar a proporção mistura / metal no molde e o tempo de resfriamento da fundição antes da batida.