Objetos de automatización y sus características

Objetos de automatización (objetos de control) — se trata de instalaciones separadas, máquinas para corte de metales, máquinas, agregados, dispositivos, complejos de máquinas y dispositivos que deben controlarse. Son muy diversos en propósito, estructura y principio de acción.

El objeto de la automatización es el componente principal del sistema automático, que determina la naturaleza del sistema, por lo que se presta especial atención a su estudio. La complejidad de un objeto está determinada principalmente por el grado de su conocimiento y la variedad de funciones que realiza. Los resultados del estudio del objeto deben presentarse en forma de recomendaciones claras sobre la posibilidad de automatización total o parcial del objeto o la ausencia de las condiciones necesarias para la automatización.

Características de los objetos de automatización

El diseño de un sistema de control automático debe estar precedido por un estudio del sitio para establecer las relaciones del sitio. En general, estas relaciones se pueden representar como cuatro conjuntos de variables.

Una perturbación controlada, cuya colección forma el vector L-dimensional H = h1, h2, h3, ..., hL... Incluyen variables medibles que dependen del entorno externo, como los indicadores de calidad de las materias primas en la fundición, la cantidad de vapor consumido en la caldera de vapor, el caudal de agua en el calentador de agua instantáneo, la temperatura del aire en el invernadero, que varía en función de las condiciones ambientales externas y de los factores que influyen en el proceso. Para perturbaciones controladas, se imponen limitaciones a las condiciones tecnológicas.

El indicador del proceso tecnológico a controlar se llama cantidad controlada (coordenada), y la cantidad física por la cual se controla el indicador del proceso tecnológico se llama acción de control (cantidad de entrada, coordenada).

Acciones de control, cuya totalidad forma un vector n-dimensional X = x1, x2, x3, ..., xn... Son independientes del entorno externo y tienen el impacto más significativo en el proceso tecnológico. Con su ayuda, el curso del proceso cambia a propósito.

Para controlar las acciones incluyen el encendido y apagado de motores eléctricos, calentadores eléctricos, actuadores, la posición de las válvulas de control, la posición de los reguladores, etc.

Variables de salida, cuyo conjunto forma el vector de estado M-dimensional Y = y1, y2, y3, ..., yМ... Estas variables son la salida del objeto, que caracteriza su estado y determina los indicadores de calidad del producto terminado. .

Influencias perturbadoras descontroladas, cuyo conjunto forma el vector G-dimensional F = ε1, ε2, ε3, …, εG... Incluyen aquellas perturbaciones que no pueden medirse por una razón u otra, por ejemplo por falta de sensores.

Arroz. 1.Entradas y salidas del objeto de automatización

Estudiar las relaciones consideradas del objeto a automatizar puede llevar a dos conclusiones diametralmente opuestas: existe una estricta dependencia matemática entre las variables de salida y entrada del objeto, o no existe dependencia entre estas variables que pueda ser expresada mediante una fórmula matemática fiable. fórmula.

En la teoría y práctica del control automático de procesos tecnológicos, se ha ganado suficiente experiencia en la descripción del estado de un objeto en tales situaciones. En este caso, el objeto se considera uno de los eslabones del sistema de control automático. En los casos en que se conoce la relación matemática entre la variable de salida y y la acción de entrada de control x del objeto, se distinguen dos formas principales de registrar descripciones matemáticas: estas son las características estáticas y dinámicas del objeto.

Característica estática en forma matemática o gráfica expresa la dependencia de los parámetros de salida en la entrada. Las relaciones binarias suelen tener una descripción matemática clara, por ejemplo, la característica estática de los dosificadores de pesaje para materiales de fundición tiene la forma h = km (aquí h es el grado de deformación de los elementos elásticos; t es la masa del material; k es el factor de proporcionalidad, que depende de las propiedades del material del elemento elástico).

Si hay varios parámetros variables, los nomogramas se pueden utilizar como características estáticas.

La característica estática del objeto determina la posterior formación de objetivos de automatización. Desde el punto de vista de la aplicación práctica en fundición, estos objetivos se pueden reducir a tres tipos:

• estabilización de los parámetros iniciales del objeto;

• cambiar los parámetros de salida de acuerdo con un programa dado;

• cambio en la calidad de algunos parámetros de salida cuando cambian las condiciones del proceso.

Sin embargo, una serie de objetos tecnológicos no se pueden describir matemáticamente debido a la multitud de factores interrelacionados que afectan el curso del proceso, la presencia de factores incontrolables y la falta de conocimiento sobre el proceso. Dichos objetos son complejos desde el punto de vista de la automatización. El grado de complejidad está determinado por el número de entradas y salidas del objeto. Tales dificultades objetivas surgen en el estudio de procesos reducidos por transferencia de masa y calor. Por lo tanto, en su automatización, son necesarios supuestos o condiciones que deberían contribuir al objetivo principal de la automatización: aumentar la eficiencia de la gestión al acercar al máximo los modos tecnológicos a los óptimos.

Para estudiar objetos complejos se utiliza una técnica que consiste en una representación condicional de un objeto en forma de «caja negra». Al mismo tiempo, solo se estudian las conexiones externas, tampoco se tiene en cuenta la estructura matinal del sistema, es decir, se estudia qué hace el objeto, no cómo funciona.

El comportamiento del objeto está determinado por la respuesta de los valores de salida a los cambios en los valores de entrada. La principal herramienta para estudiar dicho objeto son los métodos estadísticos y matemáticos. Metodológicamente, el estudio del objeto se realiza de la siguiente manera: se determinan los parámetros principales, se establece una serie discreta de cambios en los parámetros principales, se cambian artificialmente los parámetros de entrada del objeto dentro de la serie discreta establecida, todos los cambios en las salidas se registran y los resultados se procesan estadísticamente.

Características dinámicas un objeto de automatización está determinado por una serie de sus propiedades, algunas de las cuales contribuyen a un proceso de control de alta calidad, otras lo dificultan.

De todas las propiedades de los objetos de automatización, independientemente de su variedad, se pueden distinguir las principales y más características: capacidad, capacidad de autoalineación y retraso.

Capacidad es la capacidad de un objeto para acumular el entorno de trabajo y almacenarlo en el objeto. La acumulación de materia o energía es posible debido al hecho de que existe una resistencia de salida en cada objeto.

La medida de la capacidad del objeto es el coeficiente de capacidad C, que caracteriza la cantidad de materia o energía que debe suministrarse al objeto para cambiar el valor controlado en una unidad en el tamaño de medida aceptado:

donde dQ es la diferencia entre la entrada y el consumo de materia o energía; ru — parámetro controlado; es tiempo

El tamaño del factor de capacidad puede ser diferente dependiendo de los tamaños de los parámetros controlados.

La tasa de cambio del parámetro controlado es menor cuanto mayor es el factor de capacidad del objeto. De ello se deduce que es más fácil controlar aquellos objetos cuyos coeficientes de capacidad son mayores.

autonivelante Esta es la capacidad de un objeto para entrar en un nuevo estado estacionario después de una perturbación sin la intervención de un dispositivo de control (regulador).Los objetos que tienen autoalineación se denominan estáticos, y los que no tienen esta propiedad se denominan neutros o astáticos. . La autoalineación contribuye a la estabilización del parámetro de control del objeto y facilita el funcionamiento del dispositivo de control.

Los objetos autonivelantes se caracterizan por un coeficiente (grado) de autonivelación, que se ve así:

Dependiendo del coeficiente de autonivelación, las características estáticas del objeto toman una forma diferente (Fig. 2).

Dependencia del parámetro controlado de la carga (perturbación relativa) a diferentes coeficientes de autonivelación: 1-autonivelación ideal; 2 — autonivelación normal; 3 - falta de autonivelación

La dependencia 1 caracteriza un objeto para el cual el valor controlado no cambia bajo ninguna perturbación, dicho objeto no necesita dispositivos de control. La dependencia 2 refleja la autoalineación normal del objeto, la dependencia 3 caracteriza un objeto que no tiene autoalineación. El coeficiente p es variable, aumenta al aumentar la carga y en la mayoría de los casos tiene un valor positivo.

Un retraso — este es el tiempo transcurrido entre el momento del desequilibrio y el comienzo del cambio en el valor controlado del objeto. Esto se debe a la presencia de resistencia y al impulso del sistema.

Hay dos tipos de retardo: puro (o de transporte) y transitorio (o capacitivo), que se suman al retardo total del objeto.

El retraso puro obtuvo su nombre porque, en los objetos donde existe, hay un cambio en el tiempo de respuesta de la salida del objeto en comparación con el tiempo en que ocurre la acción de entrada, sin cambiar la magnitud y la forma de la acción. Una instalación que opera a carga máxima o en la que una señal se propaga a alta velocidad tiene el retardo neto mínimo.

El retraso transitorio ocurre cuando el flujo de materia o energía supera las resistencias entre la capacidad del objeto.Está determinado por el número de condensadores y el tamaño de las resistencias de transferencia.

Los retrasos puros y transitorios degradan la calidad del control; por lo tanto, es necesario esforzarse por reducir sus valores. Las medidas que contribuyen incluyen la colocación de dispositivos de medición y control en las proximidades del objeto, el uso de elementos sensibles de baja inercia, la racionalización estructural del propio objeto, etc.

Los resultados del análisis de las características y propiedades más importantes de los objetos para la automatización, así como los métodos de su investigación, permiten formular una serie de requisitos y condiciones, cuyo cumplimiento garantiza la posibilidad de una automatización exitosa. Los principales son los siguientes:

• descripción matemática de las relaciones entre objetos, presentada en forma de características estáticas; para objetos complejos que no pueden describirse matemáticamente: el uso de métodos matemáticos y estadísticos, tabulares, espaciales y otros para estudiar las relaciones de un objeto en función de la introducción de ciertas suposiciones;

• construcción de las características dinámicas del objeto en forma de ecuaciones diferenciales o gráficos para estudiar procesos transitorios en el objeto, teniendo en cuenta todas las propiedades principales del objeto (capacidad, retraso, autonivelación);

• el uso en el objeto de dichos medios técnicos que asegurarían la liberación de información sobre el cambio de todos los parámetros de interés del objeto en forma de señales unificadas medidas por sensores;

• el uso de actuadores con accionamientos controlados para controlar el objeto;

• establecer límites confiablemente conocidos de cambios en las perturbaciones externas del objeto.

Los requisitos de los subordinados incluyen:

• determinación de las condiciones límite para la automatización de acuerdo con las tareas de control;

• establecimiento de restricciones a las cantidades ingresadas y acciones de control;

• cálculo de criterios de optimalidad (eficiencia).

Un ejemplo de objeto de automatización es una instalación para la preparación de arenas de moldeo en una fundición.

El proceso de elaboración de arenas de moldeo consiste en dosificar los componentes iniciales, alimentarlos a la mezcladora, mezclar la mezcla terminada y alimentarla a las líneas de moldeo, procesar y regenerar la mezcla gastada.

Los materiales de partida de las mezclas de arena y arcilla más comunes en la producción de fundición: mezcla de residuos, arena fresca (relleno), arcilla o bentonita (aditivo aglomerante), carbón molido o materiales carbonosos (aditivo antiadherente), refractarios y aditivos especiales (almidón , melaza) y también agua.

Los parámetros de entrada del proceso de mezcla son los costos de los materiales de moldeo especificados: mezcla gastada, arena fresca, arcilla o bentonita, carbón molido, almidón u otros aditivos, agua.

Los parámetros iniciales son las propiedades mecánicas y tecnológicas requeridas de la mezcla de moldeo: resistencia seca y húmeda, permeabilidad a los gases, compactación, formabilidad, fluidez, densidad aparente, etc., que se controlan mediante análisis de laboratorio.

Además, los parámetros de salida también incluyen la composición de la mezcla: el contenido de aglutinantes activos y efectivos, el contenido de carbón activado, el contenido de humedad o el grado de humectación del aglutinante, el contenido de finos - partículas finas que absorben la humedad y la composición granulométrica de la mezcla o el módulo de finura.

Así, el objeto del control del proceso es la composición constituyente de la mezcla. Proporcionando una composición óptima de los componentes de la mezcla final, determinada experimentalmente, es posible lograr la estabilización a un nivel dado de las propiedades mecánicas y tecnológicas de la mezcla.

Las perturbaciones a las que está sometido el sistema de preparación de la mezcla complican mucho la tarea de estabilizar la calidad de la mezcla. El motivo de la perturbación es la presencia de un flujo de recirculación: el uso de la mezcla de desecho. El principal atropello en el sistema de preparación de mezclas son los procesos de vertido. Bajo la influencia del metal líquido, en la parte de la mezcla próxima a la fundición y calentada a altas temperaturas, se producen cambios profundos en la composición del aglutinante activo, el carbón y el almidón y su transición a un componente inactivo.

La preparación de la mezcla consta de dos procesos consecutivos: la dosificación o mezclado de la mezcla, que asegura la obtención de la composición necesaria del componente, y el mezclado, que asegura la obtención de una mezcla homogénea y le confiere las propiedades tecnológicas necesarias.

En el proceso tecnológico moderno para la preparación de mezclas de moldeo, se utilizan métodos continuos de dosificación de materias primas (moldeo), cuya tarea es producir un flujo continuo de una cantidad constante de material o sus componentes individuales con desviaciones de caudal de la dado no más de lo permitido.

La automatización del proceso de mezcla como objeto de control se puede realizar con lo siguiente:

• construcción racional de sistemas para preparar una mezcla, lo que permite excluir o reducir la influencia de las perturbaciones en la composición de la mezcla;

• el uso de métodos de dosificación por pesaje;

• creación de sistemas de control conectados para la dosificación de múltiples componentes, teniendo en cuenta la dinámica del proceso (inercia y retraso del mezclador), y el componente principal debe ser la mezcla gastada, que tiene fluctuaciones significativas en el caudal y la composición;

• control automático y regulación de la calidad de la mezcla durante su preparación;

• creación de dispositivos automáticos para el control complejo de la composición y propiedades de la mezcla con procesamiento de los resultados del control en una computadora;

• cambio oportuno de la receta de mezcla al cambiar la relación mezcla/metal en el molde y el tiempo de enfriamiento de la fundición antes del golpe.