Использование информационных технологий для автоматизации механообработки

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ МЕХАНООБРАБОТКИ

Принципы компенсации и отклонения

Знание информационных технологий в машиностроении дает возможность ответить на вопросы о том, как получается с различных объектов, воспринимается, перерабатывается и используется информация о параметрах тех или иных технологических процессов. Соответственно все информационные технологии в машиностроении можно разделить на три группы:

• • получение и индикация информации о параметрах технологического процесса;
• • получение, переработка и индикация переработанной информации о параметрах технологического процесса;
• • получение и переработка информации о параметрах технологического процесса с последующим использованием полученных результатов для воздействия на технологический процесс.

Соответственно в первом случае следует говорить о различных показывающих и регистрирующих приборах. Примером могут служить измерительные и регистрирующие системы исследовательских стендов, в частности для построения так называемых круглограмм, т. е. диаграмм изменения сил резания в пределах одного оборота заготовки при точении или круглом шлифовании.

Во втором случае следует говорить о системах первичной обработки информации с последующей индикацией и/или регистрацией переработанной информации. Примером могут служить системы статистической обработки результатов контроля и разбраковки, применяемые в массовом производстве, характерном, скажем, для автомобильной промышленности или производства боеприпасов. Другим примером могут служить устройства автоматического контроля отверстий, расточенных под подшипники в корпусах различных редукторов. В этих устройствах арифметической обработке (нахождению средних значений) подвергаются результаты замеров расточенных отверстий, выполненных по взаимно перпендикулярным диаметрам и в различных сечениях по длине расточенного отверстия.

В третьем случае следует говорить об автоматических системах управления технологическими процессами (различного рода и уровня автоматизации АСУ ТП). Примером могут служить системы программного управления, в том числе числового программного управления станками (системы ЧПУ), системы управления копировальными станками (гидравлические и электрические), системы, воспроизводящие изменение какой-либо задающей величины (так называемые системы электрического вала или гидравлической оси), а также системы поддержания заданного значения той или иной величины (системы стабилизации параметра).

В данном разделе настоящей книги рассматриваются именно принципы использования полученной, принятой и переработанной информации о ходе рабочего процесса, применяемые в технологии машиностроения.

Основные принципы использования полученной, принятой и переработанной информации можно разделить на четыре группы:

• • регулирование по возмущению;
• • регулирование по отклонению;
• • комбинированное регулирование;
• • регулирование с самообучением и самоорганизацией.

Рис. 13.1. Структура САР

Заметим, что в любой системе автоматического регулирования (САР) выход У (/) объекта регулирования (ОР) является входом X (t) регулирующего устройства или просто регулятора (Р), а выход регулятора подается на вход объекта регулирования. Это показано на рис. 13.1.

На объект регулирования ОР действуют неподконтрольные воздействия /(/), искажающие его поведение и называемые возмущающими воздействиями. В результате возмущающих воздействий параметры на выходе объекта регулирования отклоняются от требуемых значений. Для того чтобы хотя бы часть этих параметров, несмотря на возмущающие воздействия, оставалась в требуемых пределах, к объекту регулирования прилагаются определенным образом выработанные воздействия, называемые управляющими воздействиями. Те величины, на которые можно влиять, подавая те или иные управляющие воздействия, называются регулируемыми параметрами.

Принцип, используемый для регулирования, определяет, как и на основании какой информации формируется управляющее воздействие на объект регулирования.

Первым из названных выше принципов является так называемый принцип регулирования по возмущению, называемый также принципом Понселе — Чиколева. Сущность этого принципа состоит в том, что из различных возмущений, действующих в системе, выбирается одно, главное (иногда — несколько заранее известных возмущений). В этом случае система регулирования компенсирует только воздействие выбранного параметра (или нескольких заранее выбранных параметров), и управляющее воздействие вырабатывается на основании результатов измерений этого параметра (или этих параметров).

Структурная схема системы регулирования, реализующей этот принцип, приведена на рис. 13.2. В соответствии с этим принципом измеренное возмущение /(/) складывается в определенной пропорции с заданным значением G (t) входного параметра, так что фактическое значение этого выходного параметра Y (t) остается соответствующим заданному, несмотря на возмущение. Принцип компенсации возмущений называют также регулированием по нагрузке, так как для поддержания, например, постоянного напряжения генератора управляющее воздействие определяется изменением нагрузки. В случае регулирования.

Рис. 13.2. Схема регулирования по возмущению оборотов генератора возмущающим воздействием является изменение тока нагрузки. Это возмущающее воздействие измеряется обмоткой управления, включенной последовательно в цепь нагрузки. Эта обмотка используется также для оказания управляющего воздействия на объект регулирования (генератор) путем дополнительного изменения его потока возбуждения. При увеличении тока нагрузки поток возбуждения генератора также увеличивается и в определенной мере компенсирует увеличение нагрузки, предотвращая падение напряжения, вырабатываемого генератором.

Говорят, что в этом случае система автоматического регулирования является инвариантной (независимой) по отношению к конкретному возмущающему воздействию, а именно к величине тока нагрузки. При таком принципе регулирования нет необходимости дожидаться, когда регулируемый параметр заметным образом изменится, т. е. регулирование осуществляется без запаздывания по отношению к возмущающему воздействию. Однако здесь возникает необходимость априорного выделения именно того возмущающего воздействия, которое оказывает определяющее влияние на регулируемый параметр, и отсутствует обратная связь по результатам осуществленной компенсации возмущений.

Последний из названных недостатков отсутствует в схеме, реализующей принцип регулирования по отклонению, называемый также' принципом Уатта — Ползунова. Структурная схема системы автоматического регулирования, использующей этот принцип, приведена на рис. 13.3.

В соответствии с этим принципом фактическое значение регулируемого параметра Y (t) сравнивается (вычитается) с его заданным значением <7(/). Полученное таким образом отклонение фактического значения регулируемого параметра от его заданно;

Рис. 13.3. Схема регулирования по отклонению го значения поступает на регулятор и, далее, порождает управляющее воздействие, подающееся на объект регулирования.

Положительной стороной такого принципа регулирования является поддержание регулируемого параметра в требуемых пределах независимо от того, какими возмущениями вызвано его отклонение от заданной величины. Этот принцип получил свое название потому, что его применил в своей паровой машине Джеймс Уатт, построив центробежный регулятор оборотов. В этом регуляторе при изменении числа оборотов вала паровой машины независимо от причин, вызвавших это изменение, под воздействием центробежной силы менялось положение грузиков, перемещающих скользящую муфту, изменяющую подачу пара в машину. Таким образом, после падения (или увеличения) числа оборотов автоматически принимались меры по его увеличению (или уменьшению).

Свойство этого принципа регулирования особенно важно и полезно, когда объект регулирования подвержен воздействию многих не известных заранее возмущений с неизвестными точками их приложения. С другой стороны, процесс регулирования здесь начинается только после того, как произойдет отклонение регулируемого параметра, которое должно быть устранено самим процессом регулирования.

Для автоматических систем высокой точности и повышенного быстродействия обычно используют комбинированное регулирование, сочетающее в себе достоинства обоих рассмотренных принципов регулирования. Структурная схема, соответствующая комбинированному регулированию, изображена на рис. 13.4.

При такой схеме действие неучтенных возмущений в какой-то мере ослабляется контуром регулирования по отклонению, а возмущающее действие изменения нагрузки сразу же компенсируется изменением управляющего воздействия.

Рис. 13.4. Схема комбинированного регулирования.

В современных системах автоматического регулирования используется принцип адаптации (приспособления) к изменяющимся условиям работы. Такие адаптирующиеся системы делят на системы с самонастройкой программы работы, с изменением параметров и с изменением структуры.

Для оценки работы объекта регулирования часто используют такие показатели качества, или, как их часто называют, критерии оптимальности, как минимум расхода энергии на единицу продукции, максимум КПД, максимум производительности и др.