2-тарау. Автоматты басҚару жҮйелерін ҚҰру принциптері
2.1. НЕГІЗГІ ҰҒЫМДАР МЕН АНЫҚТАМАЛАР
Кез келген өндірісте технологиялық процестер белгілі бір мәнде шектетілетін физикалық шамалармен сипатталады. Жабдықтардың жұмысы кезінде ол шамалар белгілі бір деңгейде тұрақтануы, не берілген программа бойынша өзгеріп отыруы тиіс. Кез келген қондырғыда технологиялық процестің бірқалыпты жүруі белгілі бір ереженің, қызмет алгоритмінің орындалуына байланысты болады. Осы қызмет алгоритмін орындау үшін белгілі бір сыртқы команданы орындайтын қондырғыны, не машинаны басқару объектісі дейді.
Технологиялық процесті жүргізу үшін басқару объектісіне әсер ететін тиімді ықпалды басқару дейді. Егер бұл басқару адамның қатысуынсыз жүзеге асса, оны автоматты, ал адамның қатысуымен болса қолмен басқару деп атайды. Жалпы технологиялық процестер орындалатын барлық өндіріс жабдықтары басқару объектілеріне жатады. Алайда технологиялық процестің өзі де басқару объектісі бола алады. Әр объектіде физикалық шаманың берілген мәнін тұрақтандырып, немесе оны берілген бағытта өзгертіп отыратын басқарғыш құрылғысы болады. Басқарғыш органы арқылы объектіге белгіленген қызмет алгоритмін орындауға мүмкіндік беретін арнайы әсерлер беріліп отырады. Технологиялық процесті берілген қызмет алгоритмі бойынша өткізу мақсатында объектіге сырттан берілетін арнайы нұсқаулар (ережелер) жиынтығын басқару алгоритмі дейді.
Басқару объектісіне басқару алгоритміне сәйкес әсер ететін кез келген техникалық құрылғы автоматты басқару құрылғысы делінеді.
Бір-бірімен байланысты және басқару алгоритміне сәйкес өзара әрекеттесе жұмыс жасайтын автоматты басқару кұрылғысы мен басқару объектісінің жиынтығы автоматты басқару жүйесі (АБЖ) деп аталады. Жұмыс барысында автоматты басқару жүйесіне әртүрлі ішкі және сыртқы әсерлер ықпал жасайды. Автоматты жүйенің бір бөлігінен келесі бөлігіне технологиялық процестің бірқалыпты өтуін қамтамасыз ететін әрекеттің тізбекті желісін құрайтын әсерді ішкі әсер деп атайды. Оларды басқарушы әсер дейді. Ал сыртқы әсер екіге бөлінеді. Технологиялық процестің тиянақты өтуіне қажет бірінші әсер қызмет алгоритміне сәйкес жүйе кірісіне беріледі де, жоспарланған немесе тапсырыстық әсер деп аталады. Ал, екінші әсер жүйеге немесе басқару объектісіне сыртқы ортадан беріледі. Ол жүйе жұмысында алдын ала еске алынбайды да, кездейсоқ сипатта болып, басқару процесін қиындатады. Сол себепті оларды қобалжытқыш әсер деп атайды.
Технологиялық процестің дұрыс өтуіне сәйкес басқарылатын шаманың берілген уақыт аралығында ұстап отыруға керекті мәнін алдын ала берілген м ән деп, ал фактілі, яғни процестің өлшенген мәнін нақты (қазіргі) деп атайды. Реттелетін шаманың алдын ала жоспарланған және нақты мәндерінің арасындағы айырмасын келісілмеген (айырымдық) шама дейді.
Технологиялық жабдықтардың қай-қайсысы болмасын тұрақты (тағайындалған) режимде жұмыс істеуі керек. Бірақ нақты пайдалану жағдайында әртүрлі сыртқы қозулардың әсерінен тағайындалған режим ұдайы бұзылатындықтан, технологиялық процестің параметрлері өзгереді. Сол себепті өндірістік жабдықтарды (басқару объектісін) басқарып отыру қажет, яғни басқарылатын шама қоздырушы әсердің ықпалына қарамастан берілген ереже (программа) бойынша өзгеретіндей дәл есеппен басқарушы әсерді қалыптастыру керек.
2.2. АВТОМАТТЫ ЖҮЙЕ ЭЛЕМЕНТТЕРІ
Автоматты жүйе өзара байланысқан және белгілі бір қызмет атқаратын дербес конструкциялық элементтерден тұрады, оларды автоматика элементтері не құралдары деп атайды. Элементтерді жүйеде атқаратын қызметіне қарай салыстырушы, түзетуші, қабылдаушы, жоспарлаушы, түрлендіруші және атқарушы деп ажыратады.
Қабылдаушы элементтер не бастапқы түрлендіріп бергіштер (датчиктер) технологиялық процестердің басқарылатын шамаларын өлшейді де, оларды бір физикалық түрден екінші бір физикалық шамаға түрлендіреді (мысалы, термоэлектрлік термометр температура айырымын термоЭҚК-не түрлендіреді).
Жоспарлаушы элементтер (баптау элементтері) арқылы жүйеге реттелетін шаманың Х0 қажет мәні беріледі; оның нақты мәні осы бежұмысына рілген мәнге сәйкес келуі тиіс.
Салыстырушы элементтер реттелетін шаманың берілген мәнін Х0 нақты мәнімен X салыстырады. Бұл элементтің шығысында алынатын айырымдық сигнал X = Х0 — X атқарушы элементке тікелей не күшейткіш арқылы беріледі.
Түрлендіруші элементтер сигналдың пайдалануға ыңғайлы түрге түрлендірілуін және оның қуатын магниттік, электрондық және т. б. күшейткіштер арқылы үдетуін жүзеге асырады.
Атқарушы элементтер басқару объектісіне берілетін басқару әсерін тудырады. Олар басқару объектісіне берілетін не одан алынатын энергия немесе заттар санын өзгерту арқылы басқарылатын шаманы берілген мәніне сәйкес етіп ұстап отырады.
Түзетуші элементтер басқару процесінің сапасын жақсарту үшін қажет.
Автоматты жүйелерде көрсетілген негізгі элементтерден басқа қосалқы элементтер де болады, оларға ауыстырып қосқыш құрылғылар мен қорғау элементтері, резисторлар, конденсаторлар, сигнал беру жабдықтары жатады.
Автоматика элементтерінің қолдану және технологиялық ерекшеліктерін айқындайтын арнайы сипаттамалары мен параметрлері болады.
Басты сипаттамалардың біріне элементтің статикалық сипаттамасы жатады. Статикалық сипаттама деп, тұрақталған режим кезіндегі Хшығ шамасының Хкір шамасына тәуелділігін айтады:
Хшығ = ƒ(Хкір). Кірістік шамасының таңбасына сәйкес бейре-версивті (шығыстық шаманың таңбасы өзгерістің барлық деңгейінде тұрақты болғанда) және реверсивті (кірістік шаманың таңбасының өзгерісі шығыстық шаманың таңбасының өзгерісіне әкеледі) статикалық сипаттамалар болып ажыратылады.
Динамикалық сипаттама элементтердің динамикалық режимде, яғни кірістік шаманың шапшаң өзгерген сәттеріндегі жұмысын бағалау үшін пайдаланылады. Оны өтпелі сипаттамамен, беріліс функциясымен және жиілік сипаттамаларымен өрнектейді. Өтпелі сипаттама Хшығ шығыстық шаманың t уақытқа тәуелділігін көрсетеді: Хкір кірістік сигналының секірмелі өзгерісі кезінде Хшығ = ƒ (t) .
Жалпы беріліс функциясына, өтпелі және жиілік сипаттамаларына төменгі тарауларда толығымен тоқталатын боламыз.
Автоматика элементтерінің негізгі параметрлерінің қатарына беріліс коэффициенті мен сезімталдық деңгейі жатады.
Беріліс коэффициентін элементтердің статикалық сипаттамасымен анықтауға болады. Оны статикалық, динамикалық (дифференциалдық) және салыстырмалы коэффициенттер деп үш түрге ажыратады.
Хшығ шығыстық шамасының Хкір кірістік шамасына қатынасын статикалық беріліс коэффициенті деп атайды, яғни Кст = Хшығ/Хкір. Нақты конструкциялық элементке қатысты статикалық беріліс коэффициентін, мысалы, күшейткіштерде — күшейту коэффициенті, редукторларда — редукция коэффициенті, трансформаторларда — трансформация коэффициенті деп атайды.
Бейсызықты сипаттамасы бар элементтер үшін Кд динамикалық беріліс (дифференциалдық) коэффициенті пайдаланылады, яғни
Кд = Хшығ/Хкір. Ксал, салыстырмалы беріліс коэффициенті элементтің Хшығ/Хшығ.н. шығыстық шамасының салыстырмалы өзгерісінің Хкір/Хкір.н кірістік шамасының салыстырмалы өзгерісіне қатынасына тең:
(2.1)
мұндағы Хшығ.н мен Хкір.н— шығыстық және кірістік шамалардың номинал мәндері. Бұл коэффициент өлшемсіз шама, әрі конструкциясы мен қызмет әрекеті әртүрлі элементтерді салыстыруда тиімді.
Сезімталдық деңгей шығыстық шаманың айтарлықтай өзгерісі байқалатын кірістік шаманың ең кіші мәні. Ол элемент конструкциясындағы тетіктер арасындағы үйкеліс, саңылау және люфтінің салдарынан болады.
Ауытқу бойынша басқару принципі пайдаланылатын автоматты тұйықталған жүйелердің артықшылығына кері байланыстың болуы жатады. Кері байланыс әрекетінің принципін электр қыздыру пешінің температурасын басқару жүйесі мысалы негізінде қарастырайық. Температураны берілген шекте ұстау үшін объектіге берілетін басқарушы әсердің, яғни қыздырғыш элементке түсірілетін кернеудің мәнін температураны ескере отырып өзгертеді. Температураның бастапқы түрлендіргіші арқылы жүйе шығысы оның кірісімен жалғастырылады. Мұндай қосылысты, яғни ақпарат (информация) басқарушы ықпалмен салыстырғанда кері бағытта берілетін каналды кері байланыс деп атайды. Кері байланыс оң және теріс, қатаң және икемді, негізгі және қосалқы болып ажыратылады.
Оң кері байланыс деп, кері байланыс әсері мен жоспарланған әсердің таңбалары дәл келетін байланысты айтады. Ал дәл келмеген жағдайда теріс кері байланыс делінеді.
Егер берілетін әсер уақыт өтуіне тәуелсіз болып тек реттелетін параметрдің мәніне ғана тәуелді болса, онда мұндай байланысты қатаң кері байланыс деп атайды. Қатаң кері байланыс жүйенің тұрақталған, әрі өтпелі режимдері кездерінде де әрекет етеді. Тек өтпелі режимде әрекет ететін байланысты икемді кері байланыс дейді. Икемді кері байланыс өзі арқылы уақыт өтуімен басқарылатын шама өзгерісінің бірінші не екінші туындысын өткізетіндігімен сипатталады. Икемді кері байланыстың шығысында сигнал тек басқарылатын шама уакыт барысында өзгергенде ғана пайда болады.
Негізгі кері байланыс басқару жүйесінің шығысын оның кірісімен қосады, яғни басқарылатын шаманы жоспарлау құрылғысымен байланыстырады. Ал қалған кері байланыстар қосымша не жергілікті деп аталады. Қосымша кері байланыс жүйенің қайсыбір буынынан алынған әсер сигналын алдыңғы тізбектегі кез келген басқа бір буынның кірісіне береді. Мұндай байланыс жеке элементтердің қасиеті мен сипаттамасын жақсарту үшін пайдаланылады.
2.3. АВТОМАТТЫ БАСҚАРУ ЖҮЙЕСІНІҢ ҚҰРЫЛЫМЫ
Автоматты басқару жүйесі құрылымы жағынан әр түрлі болуы ықтимал. Жалпы жағдайда бұл құрылымға белгілі бір ерекше қасиеттерімен және аралық әсер беру жолдарымен жіктелген автоматты жүйені түзетін дербес бөліктердің жиынтығы жатады. Автоматты басқару жүйесінің алгоритмдік, функционалдық және конструкциялық құрылымдары болады.
Автоматты басқару жүйесінің алгоритмдік құрылымы деп, әр бөлігі ақпаратты түрлендірудегі белгілі бір алгоритмді орындауға арналған құрылымды айтады.
Сигналды түрлендірудің элементар алгоритміне сәйкес келетін автоматты жүйенің алгоритмдік құрылымының бір бөлігін элементар алгоритмдік буын деп атайды. Әрбір элементар буын бір ғана математикалық немесе логикалық операцияны орындайды. Схемада элементар буынды ішінде сигналды түрлендіруге сәйкес оператор жазылған тікбұрышпен кескіндейді. Кей кезде оператордың орнына шығыстық сигнал мен кірістік сигнал аралығындағы байланысты көрсететін график немесе өтпелі функция қисығы көрсетіледі.
Элементар буындар статикалық, динамикалық, арифметикалық және логикалық болып ажыратылады. Статикалық буынның шығыстық сигналының лездік мәні кірістік сигналдың уақыт ағымындағы өзгеруінің сипатына емес, оның тек осы мезеттегі мәніне ғана тәуелді болады. Статикалық буын ретінде, мысалы, екіпозициялық релені алуға болады (2.1,а-сурет). Суретте реленің кірістік және шығыстық сигналдарының өзгеру графигі де көрсетілген.
2.1-сурет. Элементар алгоритмдік буындар:
– статикалық; 
– динамикалық; 
– арифметикалық; 
– логикалық
Динамикалық буын кірістік сигналды уақыт ағымында интегралдау және дифференциалдау операцияларына сәйкес түрлендіреді. Динамикалық буынның шығыстық сигналының мәні кірістік сигналдың қазіргі уақыт ағымындағы ғана мәніне емес, оның алғашқы мәндеріне де, яғни кірістік сигналдың өзгеру сипатына тәуелді. Динамикалық буынның мысалы ретінде дифференциалдауыш буынды алуға болады (2.1,б-сурет).
Арифметикалық буын қосу, алу, көбейту, бөлу арифметикалық амалдарының біреуін іске асырады. Автоматикада, сигналдарды алге-бралық қосындылайтын арифметикалық буын, қосындауыш (2.1,в-сурет) жиі қолданылады. Суретте сонымен бірге электрлік (гальваникалық) және магниттік сигналдарды да қосындылау мысалдары келтірілген.
Логикалық көбейту (”ЖӘНЕ„), қосу (”НЕМЕСЕ„), логикалық теріс-теу (”ЕМЕС„) және т.б. логикалық операцияларды орындайтын буынды логикалық деп атайды. Жалпы логикалық буынның кірістік және шығыстық сигналдары дискретті болады да логикалық айнымалылар ретінде қарастырылады (2.1,г-сурет).
Автоматты басқару жүйесінің фунционалдық құрылымында әрбір бөлік белгілі бір қызметті атқарады. Қызмет ретінде автоматты басқарушы құрылғының ақпарат алу, оны өңдеу, т. б. осы секілді негізгі қызметін, сонымен бірге сигналды беру, оларды салыстыру, ақпаратты беру түрін өзгерту тәрізді дербес қызметін айтуға болады.
Егер автоматты басқару жүйесі құрылымының әр бөлігі жеке конструкциялық тұтастық құратын бөлік болса, ондай құрылымды конструкциялық кұрылым деп атайды.
Басқару жүйесінің құрылымын график бойынша кескіндеуді құрылымдық схема дейді. Белгілі бір ерекшеліктерімен топталған автоматты жүйе бөлігін график түрінде, ішінде бұл жүйенің оның қандай бөлігі екендігін білдіретін шартты белгісі бар төртбұрышпен кескіндейді. Автоматты жүйенің бөліктерінің арасында берілетін әсер жолын, сол әсер берілетін бағыт бойымен бағыттауыш сызықпен кескіндейді.
Автоматты басқару жүйесінің, не автоматты құрылғының құрылымдық схемасындағы бөліктері арасындағы берілетін әсердің бағыты мен жолын көрсететін қарапайым құрамдас бөлігін құрылымдық схеманың байланысы деп атайды.
Автоматты жүйенің құрылымдық схемасының байланысы негізгі, қосымша және кері байланыстар болып ажыратылады.