Технико-экономическое обоснование автоматизации мотальных машин

     Исполнительные устройства состоят из пусковой аппаратуры, исполнительных гидравлических, пневматических или электрических механизмов (сервомоторов) и регулирующих органов, воздействующих непосредственно на автоматизируемый процесс. Важно, чтобы их работа не вызывала излишних потерь энергии и снижения кпд процесса. Так, например, дросселирование, которым обычно пользуются для регулирования потоков пара и жидкостей, основанное на увеличении гидравлического сопротивления в трубопроводах, заменяют воздействием на потокообразующие машины или иными, более совершенными способами изменения скорости потоков без потерь напора. Большое значение имеет экономичное и надёжное регулирование электропривода переменного тока, применение безредукторных электрических исполнительных механизмов, бесконтактной пускорегулирующей аппаратуры для управления электродвигателями.

    Реализованная в ГСП идея построения приборов для контроля, регулирования и управления в виде агрегатов, состоящих из самостоятельных блоков, выполняющих определённые функции, позволила путём различных сочетаний этих блоков получить широкую номенклатуру устройств для решения многообразных задач одними и теми же средствами. Унификация входных и выходных сигналов обеспечивает сочетание блоков с различными функциями и их взаимозаменяемость.

   В состав ГСП входят пневматические, гидравлические и электрические приборы и устройства. Наибольшей универсальностью отличаются электрические устройства, предназначенные для получения, передачи и воспроизведения информации.

   Применение универсальной системы элемениов промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА) позволило свести разработку пневматических приборов в основном к сборке их из стандартных узлов и деталей с небольшим количеством соединений. Пневматические устройства широко применяются для контроля и регулирования на многих пожаро- и взрывоопасных производствах.

    Гидравлические устройства ГСП также комплектуются из блоков. Гидравлические приборы и устройства управляют оборудованием, требующим для перестановки регулирующих органов больших скоростей при значительных усилиях и высокой точности, что особенно важно в станках и автоматических линиях.

    С целью наиболее рациональной систематизации средств ГСП и для повышения эффективности их производства, а также для упрощения проектирования и комплектации АСУ устройства ГСП при разработке объединяются в агрегатные комплексы. Агрегатные комплексы, благодаря стандартизации входных-выходных параметров и блочной конструкции устройств, наиболее удобно, надёжно и экономно объединяют различные технические средства в автоматизированных системах управления и позволяют собирать разнообразные специализированные установки из блоков автоматики широкого назначения.

    Целевое агрегатирование аналитической аппаратуры, испытательных машин, массодозировочных механизмов с унифицированными устройствами измерительной, вычислительной техники и оргатехники облегчает и ускоряет создание базовых конструкций этого оборудования и специализацию заводов по их изготовлению.

    Управление территориально рассредоточенными объектами газовой и нефтяной промышленности, водоснабжения и ирригации, транспорта, связи, гидрометеослужбы и т. п. связано с формированием большого количества текстовой и измерительной информации, передачей её на большие расстояния, концентрацией логической и математической обработки, хранением и распределением.

    Агрегатный комплекс средств сбора и первичной обработки алфавитно-цифровой информации (АСПИ) в сочетании с комплексами вычислительной техники (АСВТ), единого времени (АСЕВ) и оргатехники (АСОТ) при наличии математического обеспечения дают возможность автоматизировать управление отраслями народного хозяйства. Для сбора объективных сведений о количестве и качестве выпускаемой продукции промышленные предприятия оснащаются комплексами средств электроизмерительной техники (АСЭТ), испытания материалов на прочность (АСИП) и измерения и дозирования масс (АСИМ). Для автоматизации управления производственными процессами существенное значение имеют также комплексы средств контроля и регулирования (АСКР), аналитической техники (АСАТ) и программного управления (АСПУ), позволяющие вести производство в оптимальных режимах. Взаимодействие этих комплексов создаёт реальные условия для автоматизации многих технологических установок на основе точной измерительной информации о ходе процесса в адаптивном режиме или по заданной программе с коррекцией влияния внешних условий и среды.

   Исследовательская деятельность во многом зависит от своевременного получения, быстрой и полноценной обработки объективной и точной информации о составе и строении веществ, структуре и свойствах материалов, энергетических параметрах процессов.

   Применение комплексов средств автоматизации в научно-исследовательских институтах и лабораториях не только освобождает исследователей от рутинных операций, связанных с освоением имеющихся данных, но и облегчает подготовку и ведение экспериментов.

    Комплексная автоматизация производства требует высокого уровня начной организации труда с широким применением разнообразных вспомогательных технических средств на рабочих местах производственного и управленческого персонала. Сюда относятся: устройства для подготовки, поиска, хранения и размножения документов, чертежей, справочных материалов для механизации инженерно-технических и административно-управленческих работ, специализированная мебель и оборудование и др.

     Теория автоматического управления изучает принципы построения систем автоматического управления и закономерности протекающих в них процессов, которые она исследует на динамических моделях действительных систем с учётом условий работы, конкретного назначения и конструктивных особенностей управляемого объекта и автоматических устройств, с целью построения работоспособных и точных систем управления.

     Первоначально теория автоматического управления развивалась как теория автоматического регулирования и была одним из разделов теоретической и технической механики. На этой стадии теория автоматического управления изучала процессы управления паровыми котлами и электрическими машинами, но раздельно в пределах только теплотехники и только электротехники. Быстрое развитие всех отраслей техники и промышленности сопровождалось совершенствованием методов и средств техники управления; обнаружилась аналогичность процессов управления в технических устройствах, независимо от их природы и назначения. С развитием управления в технике шло также изучение проблем управления в организмах и в экономических системах. Вплоть до середины 20 в. исследования процессов управления в этих разнородных объектах не были связаны. В технике управляющие устройства, внешние по отношению к объектам, создаются отдельно и лишь затем соединяются с объектами в единую систему управления. На основе изучения взаимодействия этих устройств с объектами была выявлена общность процессов управления. Именно поэтому теория автоматического регулирования зародилась в технике и превратилась в самостоятельную техническую науку. В живых организмах и в экономике органы управления составляют неотъемлемую часть этих объектов. Здесь нет необходимости конструирования отдельно действующих органов управления, а изучение всего механизма управления велось разрозненно в соответствующих областях знаний без участия специалистов по управлению. Однако процессы управления, обладающие определенной спецификой в биологии и экономике, потребовали обязательной коллективной работы специалистов различных областей науки и техники, тем более при современном уровне развития науки, когда выявилась также и необходимость взаимного обмена знаниями. Н. Винеру принадлежала мысль об общности процессов управления в технике, живых организмах и в экономике и необходимости совместной деятельности учёных различных специальностей. Этот вывод подготовлялся длительное время и многими другими исследователями. Было обнаружено, что техническая наука — теория автоматического регулирования, способна объяснить процессы управления и влиять на них не только в технике; сфера её применения расширилась, но при этом усложнились цели и методы теории, которая получила новое название «Теория автоматического управления». Для теории автоматического регулирования характерна задача стабилизации заданного состояния объекта. В теории автоматического управления эта задача входит составной частью в проблему приспособления, или адаптации, которая присуща живым организмам и экономическим организациям. Но и для техники эти проблемы весьма актуальны, если учесть переменность параметров объектов управления, работу их при меняющихся условиях, а также оценку эффективности этой работы в чисто экономических терминах, например прибыльность или уменьшение затрат труда и материалов. Так возникла проблема синтеза и анализа систем автоматического управления — основная проблема теории автоматического управления. Решение её требует изучения динамических свойств систем автоматического управления, для чего необходимо математическое описание поведения всех элементов системы в переходных процессах. В общем случае процессы в объектах описываются системами обыкновенных дифференциальных уравнений или уравнений в частных производных в зависимости от того, имеют ли объекты сосредоточенные или распределенные параметры. Элементы автоматических устройств также описываются системами дифференциальных уравнений. Специфичен для теории автоматического управления последующий переход от линейных уравнений к передаточным функциям — операторным выражениям дифференциальных и разностных уравнений. Передаточные функции позволяют легко представить математическую модель системы в виде структурной схемы, состоящей из типовых динамических звеньев. Теория автоматического управления вводит понятия динамических характеристик — передаточных функций, частотных и временных характеристик, упрощающих составление математических моделей системы и последующие анализ и синтез систем. Динамический анализ систем автоматического управления выясняет их работоспособность и точность. Необходимым условием работоспособности систем автоматического управления служит их устойчивость. Для её исследования разработаны критерии устойчивости, позволяющие определять условия устойчивости и необходимые запасы её по косвенным признакам, минуя весьма трудную операцию интегрирования уравнений движения системы. Устойчивость достигается изменением параметров системы и её структуры. В нелинейных системах автоматического управления исследуется возможный для этих систем режим автоколебаний. Если же по самому принципу действия систем автоматического управления, например для релейных систем, эти колебания неизбежны, то устанавливаются допустимые параметры — амплитуда и частота автоколебаний. Точность систем автоматического управления оценивается показателями, которые в совокупности называется качеством управления, Важнейшие показатели качества систем автоматического управления: статические и динамические погрешности и время регулирования. Эти показатели определяются сравнением действительного переходного процесса изменения управляемых величин с требуемым законом их изменения; обычно они указываются для одного из типовых законов изменения управляемой величины. В теории автоматического управления, так же как и при анализе устойчивости, пользуются косвенными методами анализа качества, не требующими решения исходных уравнений. Для этого вводятся критерии качества — косвенные оценки показателей качества. При действии на систему автоматического управления случайных возмущений наиболее распространён критерий качества динамической точности — средняя квадратичная ошибка. Эта величина относительно просто может быть связана со статистическими характеристиками возмущающих воздействий и параметрами передаточной функции системы. Система автоматического управления, в которой достигнут экстремум какого-либо показателя качества, именуется оптимальной системой. Нелинейные системы обладают более широкими возможностями достижения оптимума определённого показателя качества, чем системы линейные. Это обусловило применение нелинейных связей для повышения качества систем управления. Анализ системы управления устанавливает свойства системы с уже заданной структурой. Построение алгоритма управления и разработка соответствующей ему структуры системы, выполняющей заданную цель при требуемом качестве управления, установление значений параметров этой системы составляет содержание проблемы синтеза. До начала разработки системы управления сообщаются необходимые для этого исходные данные: свойства управляемого объекта, характер действующих на него возмущений, цель управления и требуемая точность управления. К объекту управления относится его управляющий орган, через который передаётся воздействие на объект от управляющего устройства. Известные характеристики управляющего органа сразу же определяют характеристики исполнительного механизма управляющего устройства. Но на этом обрывается цепь частей системы управления, свойства которых определяются однозначно их взаимным влиянием друг на друга. Так вводится понятие неизменяемой части системы управления — неизменяемой в том смысле, что свойства её заданы до начала конструирования алгоритма управления и, как правило, не могут быть изменены. Заданная цель управления определяет и способ управления. В результате выясняется в общих чертах блочная схема системы управления. В основном пользуются 2 методами решения проблемы синтеза — аналитическим и последовательных приближений. При первом либо находится вид передаточной функции автоматического устройства или алгоритм управления, либо при выбранной структуре указанного устройства устанавливаются значения его параметров, дающие экстремум критерию качества. Этот метод позволяет сразу найти оптимальное решение, но он часто приводит к сложными громоздким вычислениям. Во втором методе по заданному критерию качества определяется передаточная функция автоматического устройства и затем для полученной системы сравниваются заданные показатели качества с их действительными значениями. Если приближение оказывается допустимым, расчёт считается законченным и можно приступить к конструированию устройства. Если же приближение оказывается недостаточным, то изменяется вид передаточной функции до получения варианта, удовлетворяющего заданным требованиям точности. При построении сложных систем управления, кроме теоретических методов, применяется моделирование с применением аналоговых и цифровых вычислительных машин, на которых воспроизводятся уравнения, описывающие всю систему управления в целом, и по результатам расчётов, заканчивающихся при достижении требуемых показателей качества, устанавливается структура устройства управления. Такой метод синтеза близок по идее к методу последовательных приближений. Моделирование позволяет оценить влияние таких факторов, как нелинейность ограничения координат, переменность параметров, которые ставят почти непреодолимые преграды для аналитического исследования. Применение вычислительных машин освобождает от трудностей расчёта. Они также используются в составе систем автоматического управления для выполнения сложных алгоритмов управления, которые особенно характерны для адаптивных и оптимальных систем и систем с прогнозированием конечного результата управления. Решение проблемы синтеза систем автоматического управления способствовало появлению новых эффективных принципов управления и развитию важных самостоятельных направлений в теории автоматического управления: оптимальное управление, статистичная динамика и чувствительность систем управления. Теория оптимального управления позволила установить структуры систем управления, обладающих предельно высокими показателями качества при учёте реальных ограничений, накладываемых на переменные. Показатели оптимальности могут быть весьма разнообразными. Выбор их зависит от конкретно поставленной задачи. Такими показателями служат показатели динамических свойств всей системы в целом, критерии экономичности режимов управляемых объектов и др. Распространены оптимальные по быстродействию системы, которые переводят объект из одного состояния в другое за минимальный промежуток времени.

     Статистическая динамика систем управления изучает действие на эти системы случайных возмущений. Методы этой теории позволяют синтезировать системы управления, обеспечивающие минимум динамической погрешности, решать задачи построения сглаживающих и прогнозирующих следящих систем, определять динамические свойства управляемых объектов по данным опыта при их нормальном функционировании без внесения пробных возмущений. Статистические методы исследования широко распространены для изучения различных типов систем управления. Большое значение эти методы приобретают для приспосабливающихся систем. Теория чувствительности систем управления изучает зависимость динамических свойств этих систем от их меняющихся параметров и характеристик. Показатель чувствительности служит мерой зависимости указанных свойств от вариаций параметров. Теория чувствительности позволяет в ряде случаев указать пути осуществления беспоисковых самонастраивающихся систем.

       Последний вопрос тесно связан ещё с одним направлением в теории автоматического управления, получившим интенсивное развитие в последние годы — общей теорией адаптации, развитой на базе статистических методов и методов линейного программирования в математике. Для теория автоматического управления характерна тесная, непрерывно усиливающаяся и взаимно влияющая связь не только с математикой, но также и с физикой и техническими науками, изучающими свойства объектов, которые позволяют создать детальные динамические модели объектов, необходимые при решении усложнившихся задач автоматического управления.

2. Расчёт эффективности установки средств автоматизации

2.1. Исходные данные для расчёта

Tаблицa 1.

Таблица 2.  Данные для расчёта фонда оплаты труда.