Абдулин С.Ф. Системы автоматики предприятий стройиндустрии

Подождите немного. Документ загружается.

• допускать легкую модификацию для разных структур и разных

оперативных ситуаций.

В целом можно утверждать, что, решая задачу распределения

ресурсов, такая сеть имитирует логику обучившего ее человека, хотя не

содержит ни логических, ни алгоритмических описаний принятия

решений, а представляет собою лишь матрицу собственных коэф-

фициентов и стандартную для сети процедуру отображения «вход-выход».

Пусть максимально возможная размерность кортежа деталеопераций

составляет п элементов, кортеж персонала R имеет к элементов, а кортеж

оборудования М содержит l элементов. Эти три кортежа описывают

исходные данные задачи, следовательно, непосредственно влияют на ее

реализуемость в практических условиях. Определим входной сигнал

управляющей нейросети таким образом, чтобы не допустить обострения

«проблемы размерности».

Количество всевозможных вариантов троек <d, r, т> можно оценить

по формуле

, (5.22)

т.е. если мощность каждого кортежа равна 10, возникает 1000

потенциально возможных ответов, хотя реально из них будут исключены

технологически и организационно нереализуемые.

Представим входной сигнал нейросети в двоичной форме и в

следующем виде:

X =< r

,...r

, d

,...d

, m

,...m

>. (5.23)

Элементы X принимают значения из множества {0,1} следующим

образом:

1, если i-й сотрудник свободен;

= 0 в противном случае.

1, если i-я единица оборудования свободна;

= 0 в противном случае.

1, если i-ю деталеоперацию требуется выполнить

= 0 в противном случае.

Выходной сигнал нейросети X = < X

, X

,...> представляет собой

решение задачи, причем размерность сигнала должна обеспечивать

представление

возможных решений.

Рассчитаем количество двоичных разрядов, необходимое для

кодирования результата как

2ln

l)kln(n

(5.24)

т. е. для размерностей кортежей R, D, М порядка десяти получим десять

разрядов, необходимых для кодирования тысячи возможных решений.

Общая (внешняя) структура управляющей нейросети показана на рис. 5.8.

Результатом работы сети является вектор выходных сигналов послед-

него слоя Y, который представляет собою бинарный код ответа. Система

декодирования результата зависит от метода кодирования выходного кор-

тежа в обучающей выборке. Простым и эффективным является следующий

способ кодирования:

• каждому исполнителю присваивается уникальный номер от 1 до к;

• каждой деталеоперации присваивается уникальный номер от 1 до п;

• каждой единице оборудования присваивается уникальный номер от

1 до l;

• для каждой выходной тройки номеров <d, r, т> из обучающей

выборки вычисляется вспомогательная переменная z по формуле

z=m+10d+100r; (5.25)

• z переводится в двоичную систему счисления;

• выходной вектор Y =<Y

,...Y

> формируется следующим образом:

Y=z

i-1

, (5.26)

Рис. 5.8. Общая структура управляющей нейросети

где z

- двоичный разряд числа z, начиная с нулевого порядка (i= 0).

Декодирование (переход от бинарного Y к номерам исполнителя,

деталеоперации и единицы оборудования) осуществляется следующим

образом:

– вычисляется вспомогательное число z:

, (5.27)

– десятичные разряды числа z с нулевого по (l – 1)-й

интерпретируются как номер единицы оборудования;

– десятичные разряды числа z с l-го по (l + n – 1) интерпретируются

как номер деталеоперации;

– десятичные разряды числа z с (l+1)-го и далее интерпретируются

как личный номер исполнителя.

Обучение сети производится методом back propagation, обучающая

выборка формируется из удачных решений человека-специалиста, а также

на основе любых дополнительных соображений организационно-

экономического и технико-технологического характера, относящихся к

вербальной модели локального подразделения.

Таким образом, задача распределения ресурсов в подразделении

предприятия может быть решена при помощи «обученной» нейросети

вышеописанной структуры. Полученное решение не будет строго

оптимальным, однако оно будет достаточно качественным: настолько

насколько это позволяет точность работы нейросети.

Преимущества такого подхода, по сравнению с классической

дискретной оптимизацией, проявляются в ситуации, когда требования,

предъявляемые к решениям, имеют произвольный (например, вербальный)

характер. Поскольку алгоритм функционирования сети ни в коей мере не

является алгоритмом перебора вариантов решений, проблема

комбинаторного взрыва не возникает.

Раздел 6

ОСНОВЫ АВТОМАТИКИ И АВТОМАТИЗАЦИИ

ПРОИЗВОДСТВА

6. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОМАТИЗАЦИИ

6.1. Основные понятия об объектах и системах

автоматического управления

Для упорядоченного и качественного выполнения рабочих операций

на производстве необходимы операции управления, с помощью которых

обеспечиваются необходимый порядок следования рабочих операций, тре-

буемые параметры процесса, например, температура, давление, влажность

и т.д. Совокупность управляющих операций представляет собой процесс

управления.

Замена ручною труда человека в операциях управления на управление

с помощью технических средств называется автоматизацией. Техниче-

ские средства, с помощью которых выполняются операции управления, на-

зываются средствами автоматизации или автоматическими устройствами.

Аппарат, оборудование, в которых протекает управляемый техноло-

гический процесс, называется объектом управления. Совокупность объ-

екта управления и средств автоматического управления называется авто-

атической системой управления (АСУ).

Технологические процессы находятся под воздействием внутренних и

внешних возмущений, нарушающих равновесный режим. Поэтому к тех-

нологическому процессу извне или изнутри прикладываются управляю-

щие воздействия так, чтобы скомпенсировать указанные возмущения.

Системы, вырабатывающие на основе информации о состоянии

управляемого процесса определенный алгоритм (закон) управления, ней-

трализующий действие возмущающих воздействий и приводящий управ-

ляемую величину к заданному значению, называются автоматическими

системами регулировании (АСР).

В этом случае термин «управление» заменяется на термин «регулиро-

вание»: объект регулирования, автоматическая система регулирования, ав-

томатическое регулирование, регулируемая величина, автоматический ре-

гулятор и т.д.

Технологический параметр, который необходимо поддерживать в за-

данных пределах в соответствии с технологическими требованиями, назы-

вается регулируемым параметром или регулируемой величиной.

Значение регулируемой величины, которое необходимо поддерживать в

данный момент, называется заданным значением, а измеренное в данный

момент

текущим.

Объектом регулирования (ОР) называется аппарат, оборудование

или технологический процесс, в котором происходит изменение регули-

руемой величины в результате управляющих воздействий. Управляющее

воздействие на объект регулирования осуществляется путем регулирова-

ния подачи материалов или энергии.

В общем случае задачи системы управления значительно шире: в сис-

теме регулирования заданное значение регулируемой величины или закон

ее изменения заранее известны и АСР должна всегда приводить управляе-

мую величину к этому значению, а в системе управления должен выраба-

тываться такой закон изменения управляемой величины, который наилуч-

шим образом обеспечит функционирование системы, выполнение техноло-

гического процесса в соответствии с изменившимися параметрами ОР и

внутренними и внешними возмущениями.

В теплоэнергетических аппаратах (установках), например, управляю-

щее воздействие на ОР осуществляется изменением положения заслонок,

задвижек, шиберов, различных клапанов, перекрывающих трубопроводы, а

сами управляющие воздействия формируются регулятором, который вме-

сто человека-оператора обеспечивает изменение регулируемой величины

по заданному закону.

Рассмотрим обобщенную функциональную схему АСР (рис. 6.1), в

которой с определенной степенью детализации представлены основные

устройства для выполнения определенных функций (датчики, усилители,

управляющие устройства, исполнительные механизмы, регулирующие ор-

ганы и т.д.).

Рис. 6.1. Обобщенная функциональная схема АСР

Непременным элементом АСР является объект регулирования ОР, на

который воздействуют как возмущающие воздействия

)

(

(например,

изменение нагрузки объекта), так и управляющее воздействие

)

(

, а на

выходе он характеризуется регулируемой величиной х

вых

(t).

Датчик Д дает информацию о величине какого-либо параметра техно-

логического процесса, протекающего в ОР. Нормирующий преобразова-

тель НП служит для преобразования естественного сигнала с выхода дат-

чика в унифицированный сигнал ГСП. Задающее устройство ЗУ вводит в

систему сигнал задания X

ЗД

. Элемент сравнения ЭС сравнивает сигнал X

ЗД

величиной Х

от измерительного устройства (Д, НП). При наличии рассо-

гласования

ИЗД

создается регулирующее воздействие на объект,

стремящееся свести к минимуму рассогласование. Система будет нахо-

диться в состоянии покоя (равновесия) при отсутствии рассогласования.

Регулятор Р (совокупность усилителя У, устройства управления УУ и

корректирующего устройства КУ) предназначен для коммутации и алгеб-

раического суммирования сигналов измерительного и задающего уст-

ройств, выработки требуемого закона регулирования и управляющих (ре-

гулирующих) воздействий у(t) на исполнительный механизм ИМ, переме-

щающий РО, который изменяет количество поступающего вещества или

энергии в объект в целях приведения регулируемой величины ОР к задан-

ному значению.

Для работы АСР необходимы источники питания ИП элементов и

устройств автоматики (для пневматических систем это компрессорная

станция, а для электрических систем это сетевые или автономные источ-

ники питания в виде трансформаторов, преобразователей тока, аккумуля-

торов, мотор-генераторов). Стабилизаторы СТ служат для снижения по-

мех питания средств автоматики.

В зависимости от характера информации об объекте управления (ОУ)

автоматические системы управления подразделяются на разомкнутые и

замкнутые (рис. 6.2).

Разомкнутые системы работают по жесткой программе независимо от

состояния объекта в процессе управления и изменяющихся внешних усло-

вий фактического протекания процесса. Внешние возмущения f(t) приво-

а б

Рис. 6.2. Структуры разомкнутой (а) и замкнутой (б) систем управления:

ВХ

(t) и X

ВЫХ

(t)

соответственно входная и выходная величины; у(t)

управляющее

воздействие, вырабатываемое управляющим устройством (У У); f(t)

возмущающее

воздействие;

(

)

eeD

сигнал рассогласования (или ошибка)

дят к соответствующим неуправляемым отклонениям выполняемого про-

цесса в объекте. Эти возмущения

непредсказуемые факторы, вызываю-

щие нарушение нормального протекания процесса.

Замкнутые системы управления работают на основе информации о

протекаемом процессе и при любых нарушениях его, связанных напри-

мер, с изменившимися внешними условиями, вырабатывают соответст-

вующее управляющее воздействие, ликвидирующее отклонение выпол-

няемого процесса. В этих системах существует обратная связь

инфор-

мация о состоянии управляемого процесса (объекта) передается с выхода

системы на вход управляющего устройства (регулятора).

6.2. Общие сведения о Государственной системе

промышленных приборов и средств автоматизации

(ГСП)

В науке и технике известно более 2000 различных физических вели-

чин. Для измерения их требуются различные по принципу действия и кон-

струкциям автоматические средства измерения, регулирования и управле-

ния. Для уменьшения количества средств измерения и автоматизации пу-

тем унификации их принципов измерения и конструкций создана Государ-

ственная система промышленных приборов и средств автоматизации

(ГСП).

Все средства ГСП по функциональному назначению подразделены на

четыре

группы:

1.Средства получения нормированной информации о состоянии объ-

екта автоматизации. Сюда относятся датчики и нормирующие преобразо-

ватели.

2.Устройства для приема, преобразования и передачи информации по

каналам связи. В эту группу входят устройства телемеханики, телеизме-

рения, телесигнализации, телеуправления, шифраторы, дешифраторы и

устройства согласования, используемые для приема, преобразования и

передачи сигналов на большие расстояния.

3.Средства преобразования, обработки, хранения информации и вы-

работки команд управления включают в себя анализаторы сигналов,

функциональные и операционные преобразователи, устройства памяти,

регуляторы, задатчики, а также управляющие вычислительные машины.

4.Устройства использования командной информации для воздействия

на объект включают в себя исполнительные устройства, состоящие из уси-

лителей мощности входных сигналов и исполнительных механизмов,

воздействующих на регулирующие органы, которые регулируют посту-

пающий в объект регулирования поток энергии или материалов.

Все средства ГСП подразделены на три ветви: электрическую, пнев-

матическую и гидравлическую. Выпускаются также комбинированные

средства автоматизации: электропневматические, электрогидравлические.

6.3. Автоматический контроль и измерения

технологических параметров

6.3.1. Основы метрологии и техники измерений

Базовой основой современных АСУ ТП являются системы автомати-

ческого контроля (САК), позволяющие быстро получить достоверную из-

мерительную информацию о режимных параметрах технологических про-

цессов, а также о параметрах качества сырья, промежуточных и готовых

продуктов.

Научной основой САК являются метрология и физические принци-

пы измерения параметров технологических процессов.

Технической базой САК являются средства измерений (СИ) и преоб-

разований соответствующих параметров.

Метрология

это наука об измерениях, методах и средствах

обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Под

единством измерений понимают такое состояние измерений, при котором

их результаты выражены в узаконенных единицах, а погрешности

измерений известны с заданной вероятностью.

В 1893 г. была образована Главная палата мер и весов, ныне НПО

«Российский НИИ метрологии им. Д.И. Менделеева» (г. Санкт-Петербург).

Дата создания Главной палаты мер и весов считается началом развития

отечественной метрологии.

Организационной основой метрологического обеспечения является

метрологическая служба России, состоящая из сети учреждений и органи-

заций, возглавляемых Государственным комитетом стандартизации, мет-

рологии и сертификации Российской Федерации.

Соблюдение метрологических требований при технологических из-

мерениях обеспечивает не только качество выпускаемой продукции, но и

производительность, экономичность, надежность и долговечность обору-

дования.

Важнейшими характеристиками измерения являются: 1. Принцип из-

мерения. 2. Метод измерения 3. Погрешность измерения.

Принцип измерения

совокупность физических явлений, на которых

основано измерение (например, на термоэлектрическом эффекте основан

принцип измерения температуры с помощью термоэлектрического термо-

метра).

*Иногда классификацию представляют по шести функциональным группам

Метод измерения

совокупность приемов использования принципов

и средств измерений.

Виды измерений: прямые, косвенные и совокупные.

Если результат измерения У находят непосредственно из опытных

данных X, то измерения называются прямыми, здесь У = X. Примером

прямого измерения является измерение длины линейкой, массы

с помо-

щью весов, температуры

стеклянным термометром и т.д.

Косвенные измерения

здесь искомое значение измеряемой

величины находят на основе известной зависимости её от величин,

значения которых находят прямыми измерениями y=f(X

,,…,X

), где X

,…, X

величины, определяемые прямыми измерениями (например,

определение температуры по прямому измерению термоЭДС, плотности

однородного тела по его массе и объему и т.д.).

На XI Генеральной конференции по мерам и весам в 1960 г. была при-

нята международная система единиц СИ, которая в 1961 г. регламентиро-

вана в СССР для предпочтительного применения, а с 1980 г. является обя-

зательной.

Методы измерений:

1.Метод непосредственной оценки

искомое значение физиче-

ской величины определяют непосредственно по отсчетному устройству

измерительного прибора (ИП) прямого действия (без обратной связи).

Например, измерение давления пружинным манометром, силы тока

амперметром, массы

с помощью циферблатных весов.

2.Метод сравнения с мерой

метод измерения, в котором изме-

ряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (из-

мерение длины метром, напряжения постоянного тока сравнивают с ЭДС

нормального элемента и т.д.). Метод подразделяется на нулевой метод

(компенсационный), дифференциальный (разностный), совпадения, про-

тивопоставления, замещения.

В современных СИ преимущественно применяются компенсационный

и дифференциальный методы.

Классификация средств измерений

СИ подразделяются на меры, калибры, измерительные преобразова-

тели (ИПр), измерительные приборы (ИП), измерительные установки, из-

мерительные системы.

Мера

СИ для воспроизведения физической величины заданного

размера (например, линейка, нормальный элемент, конденсатор).

Измерительный прибор

СИ для выработки сигнала измерительной

информации в форме, доступной для непосредственного восприятия на-

блюдателя.

Измерительный преобразователь

СИ для выработки сигнала измери-

тельной информации в форме, удобной для передачи сигнала, обработки,

хранения, но не воспринимаемой наблюдателем.

Измерительная установка

совокупность функционально объединен-

ных СИ (мер, ИП, ИПр) и вспомогательных устройств, предназначенных

для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для

непосредственного восприятия наблюдателем, и расположенных в одном

месте.

Измерительная система

совокупность СИ и вспомогательных уст-

ройств, соединенных каналами связи, предназначенная для выработки сиг-

нала в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и исполь-

зования в автоматических системах управления.

Основным признаком классификации ИП является измеряемая физи-

ческая величина, по которому приборы классифицируются на ИП для из-

мерения: температуры; давления; уровня жидкости и сыпучих материалов;

количества и расхода жидкостей, газов, сыпучих материалов; плотности и

вязкости вещества, анализа состава жидкостей и газов; влажности; геомет-

рических размеров и других технологических параметров.

По другим признакам приборы классифицируются следующим обра-

зом: по применению

технические (производственные), лабораторные,

контрольные, образцовые и эталонные; по виду показаний

показываю-

щие, записывающие, интегрирующие, печатающие и регистрирующие; по

способу применения

стационарные и переносные; по способу формирова-

ния сигналов

аналоговые, в которых сигнал измерительной информации

является непрерывной функцией измеряемой величины и цифровые, в ко-

торых вырабатываются дискретные сигналы измерительной информации в

цифровой форме; по точности измерения ИП различаются классом точно-

сти (например, классы точности 0,5; 1,0; 1,5 и т.д.); по защищенности ИП

бывают обычного исполнения, пылеводонепроницаемые и тропического

исполнения.

Основные метрологические характеристики ИП

Качество ИП характеризуется рядом показателей, важнейшими из ко-

торых являются: погрешность, стабильность, чувствительность, цена деле-

ния шкалы, предел измерения и динамическая погрешность.

Погрешность характеризует отклонение измеряемой величины от ее

истинного (действительного) значения. Истинное значение измеряемой ве-

личины установить практически невозможно, поэтому на практике поль-

зуются понятием «действительное значение измеряемой величины, изме-

ренное образцовым прибором».