Существуют различные критерии для классификации СУ технологическими процессами, объектами и производствами:
1) по уровню автоматизации выполняемых функций;
2) по методу управления;
3) по иерархическому принципу;
4) по функциональному признаку;
5) по информационным признакам.
1) По уровню автоматизации
Одной из основных задач, решаемых при проектировании СУ, является задача оптимального распределения функций между человеком и техникой. Системы, в которых управление объектом или ходом технологического процесса осуществляются без участия человека, называются автоматическими. Однако когда не известны точные законы управления, человек вынужден брать управление (определение управляющих сигналов) на себя. Такие системы называются автоматизированными. Т.е. часть функций по управлению выполняет человек, а часть — соответствующие механизмы и устройства. Если управление полностью выполняется человеком, такое управление называется ручным.
По уровню автоматизации СУ подразделяются на следующие виды.
а) Системы неавтоматического (ручного) управления — такие СУ, в которых все функции контроля и управления выполняют люди (без ЭВМ и средств диспетчеризации). В процессе подготовки к управлению технологическим оборудованием технолог разрабатывает последовательность выполнения операций, определяет их параметры и характеристики, продолжительность операций и записывает в технологической карте. По существу технология является алгоритмом управления. Оператор вручную управляет технологическим оборудованием в соответствии с разработанной технологией. Т.е. он посредством сигналов образует цепь управления технологическим оборудованием. Фактическое выполнение команд управления фиксирует оператор, образуя тем самым цепь обратной связи.
На рис 1.1. представлена схема неавтоматического управления объектом (технологическим оборудованием), осуществляемого оператором.
Рис. 1.1. Неавтоматическое (ручное) управление
При ручном управлении для выполнения каждой вновь возникающей операции требуется привлекать новых рабочих, затрачивать значительное время на освоение новой продукции.
б) Автоматические системы управления — СУ, в которых применяются средства автоматизации и вычислительной техники (ВТ), подготавливающие поступившую информацию к виду, удобному для принятия оператором необходимого решения. В системах с автоматическим управлением оператор не участвует в технологическом процессе. Состояние технологического оборудования характеризуется рядом выходных величин. Под влиянием управляющей программы и внешних возмущающих воздействий изменяется состояние объекта управления, возникает рассогласование. Для ликвидации рассогласования вырабатывается управляющее воздействие, поступающее от системы управления.
Системы автоматического управления могут быть построены как по разомкнутому, так и по замкнутому контурам. В первом случае управляющее устройство связано с технологическим оборудованием одним каналом связи. Команды управляющей программы через устройство ввода (УВ) поступают в блок управления приводом (БУП), который воздействует на технологическое оборудование. При этом поток информации движется только в одном направлении. Примером могут служить системы управления технологическим оборудованием с шаговым приводом подач.
Наибольшее распространение получили системы автоматического управления, построенные по замкнутому контуру, т.е. имеющие канал передачи сигналов управления и канал обратной связи (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Автоматическое управление
Канал обратной связи несет информацию о состоянии контролируемой величины в данный момент времени в блок сравнения (БС). В том случае, если состояние контролируемой величины не соответствует требуемому значению (возникает рассогласование), формируется управляющее воздействие в блок управления приводом. Производится необходимая корректировка. Объектом контроля может быть состояние технологического оборудования, положения режущего инструмента, размеры обрабатываемой детали и т.п.
2) По методу управления
По методу управления СУ подразделяются на два больших класса:
а) Обыкновенные (несамонастраивающиеся) СУ. Эти системы относятся к разряду простых, не изменяющих свою структуру в процессе управления. Они наиболее разработаны и широко применяются в литейных и термических цехах. Обыкновенные СУ подразделяются на три подкласса: разомкнутые, замкнутые и комбинированные системы управления.
б) Самонастраивающиеся (адаптивные) СУ. В этих системах при изменении внешних условий или характеристик объекта регулирования происходит автоматическое (заранее не заданное) изменение параметров управляющего устройства за счет изменения структуры СУ или даже введения новых элементов.
В самонастраивающихся системах, при изменении внешних условий или характеристик объекта управления, происходит автоматическое (по заранее не заданной программе) изменение параметров управляющего устройства или структуры ее элементов. Таким образом, обеспечиваются устойчивая работа системы и поддержание регулируемой величины на заданном оптимальном уровне.
Адаптивные системы должны не только приспосабливаться ко всем изменениям внешних условий и характеристик объекта, но и функционировать нормально даже при наличии неполадок или отказов отдельных элементов, создавая новые цепи взамен нарушенных. Системы с самонастройкой структуры можно заставить самосовершенствоваться, «приобретать опыт» путем быстрого опробования нескольких вариантов, отбора и «запоминания» лучшего из них.
3) По иерархическому принципу
В зависимости от числа иерархических уровней и разделения функций управления по этим уровням, СУ принято подразделять на одноуровневые и многоуровневые.
Системы управления, имеющие только один уровень управления, получили название одноуровневых. Примером таких систем может служить копировальная система управления. Профиль копира определяет движение исполнительного органа.
Многоуровневые системы имеют несколько уровней управления, каждый из которых выполняет конкретные функции.
4) По функциональному признаку все системы управления подразделяются на четыре класса:
а) системы для координации работы механизмов;
б) системы регулирования параметров технологических процессов;
в) системы автоматического контроля;
г) системы автоматической защиты и блокировки.
Системы, предназначенные для координации отдельных механизмов и узлов оборудования или оборудования в целом, являются системами автоматического управления (САУ). САУ обеспечивают автоматическое управление объектом (группой объектов).
Замкнутые САУ, работающие по принципу отклонения, называются системами автоматического регулирования (САР). Их отличительной чертой является наличие замкнутого контура прохождения сигналов, т.е. наличие канала обратной связи, по которому передается информация о состоянии регулируемой величины на вход элемента сравнения. Системы автоматического регулирования (САР) технологических процессов обеспечивают поддержание регулируемой величины (подачи, частоты вращения шпинделя, шероховатости обрабатываемой поверхности и т.п.) на заданном уровне или изменение ее по заданной программе.
САР предназначены для решения следующих задач:
- стабилизации регулируемой величины (стабилизирующая САР);
- изменения регулируемой величины по известной программе (программная САР);
- изменения регулируемой величины по неизвестной программе (следящая САР).
Системы автоматического контроля (САК) содержат методы и средства для получения информации о текущих значениях параметров технологических процессов (температуре в зоне резания, значениях крутящих моментов, уровне вибрации технологической системы и т.п.) без непосредственного участия человека.
Системы автоматической защиты (САЗ) и блокировки (САБ) предотвращают возникновение аварийных ситуаций в работе оборудования при установившемся режиме. Кроме того, применение этих систем позволяет исключить возможность непреднамеренного (или намеренного) изменение параметров технологического процесса.
5) По информационным признакам
Удобнее всего классифицировать СУ по информационным признакам, включающим источники и носители информации, вид и методы переработки ее.
Количество информации, их структура в определенной степени определяют качество работы СУ. Чем больше используется каналов информации, тем качество работы СУ выше, шире ее функциональные возможности.
В зависимости от количества каналов информации системы управления подразделяются на следующие виды.
а) Разомкнутые СУ, в которых используется только один канал информации, несущий в себе задающую (исходную) информацию. В таких системах управления отсутствуют контроль о выполнении заданной программы и обратная связь. Чаще всего по разомкнутому циклу работают СУ с нерегулируемыми приводами, (исключение составляют шаговые СУ). В разомкнутой системе используется один поток информации. Задающая информация перерабатывается в удобную форму для управления приводом, выполняющим тот или иной элементарный цикл технологического процесса. На технологический процесс действуют также возмущения, информация о которых не используется в разомкнутой системе управления. Такую структуру имеют СУ с шаговыми исполнительными механизмами и СУ, работающие от кулачков и упоров. Использование только одного канала информации значительно упрощает конструкции СУ. Однако нормальное функционирование такой СУ требует высокого качества изготовления отдельных ее элементов.
На рис. 1.3 представлена блок-схема разомкнутой СУ – для таких систем характерно отсутствие контроля о ходе технологического процесса, а, следовательно, возможности влиять на качество выходных параметров. Такие системы управления получили название – жесткие (непереналаживаемые).
Рис. 1.3. Блок-схема разомкнутой системы управления
б) Обширный класс составляют замкнутые СУ, в которых для снижения технологических требований к отдельным элементам и повышения качества работы СУ применяют обратную связь. В этом случае используется не один канал, а два: канал задающей информации и канал обратной связи. Для контроля правильности исполнения команд, задаваемых задающим устройством, применяются специальные датчики (датчики обратной связи). Информация обратной связи может содержать сведения о фактической скорости перемещения рабочего органа, его положении, об окончании цикла или отдельных его элементов и другие сведения о протекании технологического процесса. Системы управления, работающие на основе совместного использования задающей информации и информации обратной связи, называются замкнутыми СУ. Сопоставление задающей информации с информацией обратной связи осуществляется в сравнивающем устройстве, на выходе которого вырабатывается команда, необходимая для управления приводом. Качество работы замкнутой СУ, в частности точность отработки заданной программы, выше, чем в разомкнутой при некотором усложнении ее конструкции. В замкнутых СУ обычно используются управляемые приводы. Структуру с замкнутой схемой управления имеют большинство систем программного управления и копировальные СУ.
На рис. 1.4 представлена блок схема СУ, имеющей замкнутый контур.
Рис. 1.4. Блок-схема замкнутой системы управления
Для таких систем характерен контроль за ходом технологического процесса, состоянием объекта управления, всех его блоков и узлов. В том случае, если значение действительного параметра отклоняется от его заданного значения, происходит поднастройка системы.
Чем больше каналов информации используется в системе управления, тем выше качество ее работы, тем эффективнее процесс управления. Для получения оптимального управления течением технологического процесса необходимо использовать два и более каналов дополнительной информации. Дополнительной информацией может быть информация о величине силы резания, об изменении припуска, о твердости материала заготовки, об износе инструмента и др. Системы управления, использующие два и более каналов дополнительной информации и имеющие устройство для коррекции управляющего сигнала, можно отнести к классу приспосабливающихся СУ — самонастраивающиеся, самоорганизующиеся и самообучающиеся системы.
Самонастраивающиеся системы имеют постоянную структуру, а в процессе работы изменяются лишь управляющиеся воздействия или параметры (коэффициенты передаточных функций).
В самоорганизующихся системах во время работы изменяются не только управляющие воздействия и параметры, но и структура СУ.
Самообучающиеся системы характеризуются изменением в процессе работы алгоритма, по которому они построены.
Приспосабливающиеся СУ еще не реализованы для управления технологическим оборудованием (за небольшим исключением самонастраивающихся СУ), применяемым в системах с программным управлением, поэтому они рассматриваться не будут. Вся информация, как задающая, так и от обратной связи, может быть выражена либо в виде аналога (уровня напряжения, величины силы тока и др.), либо последовательностью импульсов. В зависимости от вида информации, которая используется системами, последние делят на непрерывные, импульсные и смешанные СУ.
В непрерывных СУ информация представлена в виде непрерывной величины. Так, регулируемая величина (например, скорость перемещения или величина перемещения рабочего органа) выражается амплитудой или сдвигом фазы напряжения. Всякое изменение регулируемой величины в замкнутой схеме вызывает также непрерывное изменение других, связанных с ней параметров.
В импульсных СУ информация выражена последовательностью импульсов. Различают три вида импульсной информации с модулированием: по амплитуде (амплитудно-импульсная модуляция АИМ), по длительности (ширине) импульсов (широтно-импульсная модуляция ШИМ) и по частоте (частотно-импульсная модуляция ЧИМ).