И.А. Штефан Управление процессами и объектами в машиностроении. Программа, методические указания и контрольные задания для студентов заочной формы(сокращенные сроки обучения)
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра гибких автоматизированных производственных систем
УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ И ОБЪЕКТАМИ В МАШИНОСТРОЕНИИ
Программа, методические указания и контрольные задания для студентов заочной формы обучения
специальности 120100 - "Технология машиностроения"
(сокращенные сроки обучения)
Составители И. А. Штефан И. В. Чичерин
Утверждены на заседании кафедры Протокол № 4 от 11.01.2000
Рекомендованы к печати учебно-методи- ческой комиссией специальности 120100 Протокол № 5 от 04.02.2000
Электронная копия хранится в библиотеке главного корпуса КузГТУ
Кемерово 2000
1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Курс "Управление процессами и объектами в машиностроении" изучается в течение десятого семестра. По учебному плану для студентов заочной формы обучения по курсу предусмотрено 12 часов лекций, 4 часа практических занятий и выполнение одной контрольной работы. Всего на изучение курса с учетом самостоятельной работы отводится 90 часов. Завершается изучение курса зачетом.
1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ, ЕЕ МЕСТО В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ
1.1. Цели преподавания дисциплины
Целью преподавания дисциплины является обучение студентов методам и приемам анализа и синтеза систем управления процессами и объектами машиностроительного производства на различных уровнях управления.
1.2. Задачи изучения дисциплины
В результате изучения дисциплины студенты должны овладеть методами и приобрести практические навыки решения задач управления как элементами технологического оборудования (станками с ЧПУ, промышленными роботами), так и технологическими процессами в рамках машиностроительного производства.
1.3 Перечень дисциплин, усвоение которых необходимо для изучения данной дисциплины
Для изучения дисциплины необходимы знания следующих дисциплин: "Информатика", "Теоретические основы электротехники", "Электроника и микропроцессорная техника", "Теория автоматического управления", "Технологические процессы машиностроительного производства", "Аппаратные и программные средства систем управления".
2
2.СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
ИМЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ЕЕ ИЗУЧЕНИЮ
2.1. Введение
Характеристики современного промышленного предприятия. Представление предприятия как сложной системы управления (СУ). Материально-производственная система предприятия. Организационная структура материально-производственной системы предприятия. Информационно-управляющая система предприятия. Характер взаимодействия работников производства, технических средств и продуктов производства.
Основное производство и его составные элементы: технологическая операция; технологический процесс (ТП); производственный процесс (ПП). Непрерывные, дискретные и непрерывно-дискретные ТП.
Основные задачи управления дискретным машиностроительным производством. Оперативное управление.
Производственная система и ее звенья: рабочее место; производственный участок, цех. Принципы построения производственных участков и цехов: технологический; предметный; по смешанной структуре. Уровни автоматизации производственной системы.
Иерархическая структура СУ производственной системой. Технологический уровень управления. Уровень управления производственными участками и технологическими линиями. Уровень управления цехами и ПП. Уровень управления предприятием.
Литература: [7, с. 9-18]; [8, с. 13-19]; [9, с. 19-22; 27-28]; [10 с. 7-
10].
Методические указания
Изучение данного раздела следует начинать с рассмотрения основных характеристик современного машиностроительного производства и промышленного предприятия как сложной СУ, объектом управления которой является материально-производственная система предприятия. Изучение материально-производственной системы требует рассмотрения ее организационной структуры, перечня подсистем и их функций. При рассмотрении основного производства необходимо про-
3
анализировать характер взаимодействия работников производства, технологических средств и продуктов производства, назначение и состав технологического объекта управления и особенности дискретных и непрерывных ТП как с точки зрения используемого технологического оборудования, так и характера материальных потоков. При рассмотрении задач управления дискретным машиностроительным производством изучить задачи оперативного управления.
При изучении производственной системы необходимо рассмотреть ее звенья с точки зрения многоуровневости, а также предметный, технологический и смешанный принципы ее построения, пяти уровней ее автоматизации. Завершается изучение данного раздела рассмотрением четырех иерархических уровней управления в производственной системе.
Контрольные вопросы
1. Почему современное промышленное предприятие рассматривается как сложная система управления?
2.Что является основой материально-производственной системы предприятия?
3.Какие функции выполняет подсистема развития производства?
4.Основной вид взаимодействия между элементами СУ основным производством.
5.Что представляет собой технологический объект управления?
6.Основное отличие между производственным и технологическим процессами.
7.Основные отличительные особенности дискретных и непрерывных ТП.
8.Основные задачи оперативного управления дискретным производством.
9.Основные отличия между различными звеньями производственной системы.
10.Что представляет собой технологический уровень управления производственной системой?
11.Основное отличие второго и третьего уровней управления в производственной системе.
12.Укажите пять уровней автоматизации производственной сис-
темы.
4
2.2. Системы управления гибкими производственными системами
Понятие гибкой производственной системы (ГПС) с точки зрения управления. Назначение ГПС. Технико-экономические преимущества ГПС. Классификация ГПС по организационным признакам: гибкая автоматизированная линия; гибкий автоматизированный участок; гибкий автоматизированный цех. Составные части ГПС: гибкий производственный модуль (ГПМ); роботизированный технологический комплекс (РТК); система обеспечения функционирования ГПС.
Назначение СУ ГПС. Функциональная схема СУ ГПС. Описание процессов управления ГПС на основе функциональных автоматов (ФА). Понятие ФА. Примеры ФА. Схема организации управления ГПС в реальном времени. Управление по состоянию оборудования. Управление по состоянию активных ТП. Система оперативного управления (СОУ) ГПС. Диспетчер СОУ. Критерии проектирования диспетчера. Функции диспетчера. Управление оперативным рабочим пространством. Простая и динамическая загрузки операций в оперативное рабочее пространство. Управление процессорами. Три состояния операций: исполнения; готовности; блокировки. Управление технологической схемой ГПС.
Автоматизированные системы управления (АСУ) ГПС. Функции АСУ ГПС. Виды обеспечения АСУ ГПС. Иерархическая структура АСУ ГПС. Терминальные системы управления (ТСУ). Требования к ТСУ в ГПС. Задачи ТСУ.
Литература: [1, с. 50; 98-109]; [2, с. 5-9; 30-38]; [3, с. 394-398]; [8, с. 28-34]; [10, с. 17-21; 30]; [11, с. 341-349]; [12, с. 213-228].
Методические указания
Изучение ГПС следует начать с того, что они являются пятым (высшим) уровнем автоматизации производственных систем. Особое внимание следует уделить определению ГПС не по ГОСТу, а с точки зрения управления. При изучении ГПС необходимо рассмотреть их технико-экономические преимущества и создаваемые проблемы при их внедрении, а также их классификацию по организационному признаку и составные части (ГПМ, РТК и система обеспечения их функционирования).
5
При рассмотрении СУ ГПС необходимо рассмотреть ее функциональную структуру на уровне участка или цеха, выделив особенности СУ ГПМ и СУ транспортными и другими средствами. При описании процесса управления технологическим оборудованием и ПП в ГПС наиболее эффективно используется теория функциональных автоматов (ФА). Требуется рассмотреть с точки зрения ФА станок с ЧПУ, ГПМ и ГПС на уровне участка или цеха.
Важным моментом является изучение вопросов управления ГПС в реальном времени. Для этого на укрупненной схеме показать организацию управления ГПС, ее информационную модель и стратегии управления. Подробно рассмотреть схемы управления при замыкании главной обратной связи по состоянию оборудования и по состоянию активных ТП.
При изучении СОУ ГПС основное внимание следует уделить ее ядру, т. е. диспетчеру системы. Для этого необходимо рассмотреть способы распределения ресурсов, которые принадлежат классу пространства и классу времени, критерии проектирования диспетчера и его функции. Подробно изучить такие функции диспетчера, как: управление оперативным рабочим пространством; управление процессорами; управление процессами; управление технологической схемой ГПС.
Изучение АСУ ГПС требует рассмотрения ее основных функций, видов и назначения обеспечений и иерархической структуры. Подробно проанализировать задачи управления, решаемые на всех уровнях АСУ ГПС, особенно подробно остановиться на задачах нижнего уровня, т. е. задачах ТСУ.
Контрольные вопросы
1. Сформулируйте понятие ГПС с точки зрения управления?
2.Какие технико-экономические преимущества имеет внедрение
ГПС?
3.Какие проблемы вызывает внедрение ГПС?
4.Из каких элементов состоит функциональная схема СУ ГПС?
5.Что представляет собой ГПМ в СУ ГПС?
6.Что понимается под функциональным автоматом?
7.Приведите структуру станка с ЧПУ в форме ФА.
8.Что отражает укрупненная схема организации управления ГПС?
6
9. Что отображает информационная модель в схеме организации управления ГПС?
10. В чем состоит концепция управления при замыкании главной обратной связи по состоянию оборудования?
11. Основное отличие контура управления, замкнутого главной обратной связью по состоянию активных ТП, от контура управления по состоянию оборудования.
12. Что представляет собой СОУ ГПС?
13. Что представляет собой диспетчер СОУ?
14. Укажите основные критерии проектирования диспетчера СОУ.
15. Перечислите основные функции диспетчера СОУ ГПС.
16. Что представляет собой простая загрузка операций в оперативное рабочее пространство?
17. Основное отличие динамической загрузки операций от про-
стой.
18. В чем состоит управление процессорами в ГПС?
19. В каких трех состояниях может находиться операция по отношению к процессору?
20. В каком случае имеет место задача управления процессами? 21. Что представляет собой язык команд диспетчера при управле-
нии технологической схемой ГПС?
22.В какой последовательности осуществляется инициирование и завершение ТП при управлении технологической схемой ГПС?
23.Что представляет собой АСУ ГПС?
24.Перечислите основные функции АСУ ГПС.
25.Какие виды обеспечений включает в себя АСУ ГПС?
26.Из каких уровней управления состоит АСУ ГПС?
27.Назначение ТСУ.
2.3. Системы программного управления станками
Понятие программного управления. Достоинства систем пространственного управления (СПУ). Классификация СПУ. Аналоговые СПУ. Цикловые СПУ. Достоинства и недостатки цикловых СПУ. Функциональная схема цикловой СПУ. Принцип работы цикловой СПУ.
Характеристики приводов СПУ: быстродействие; точность отработки. Требования к динамическим возможностям приводов. Аперио-
7
дический закон регулирования. Передаточные функции приводов. Скоростная ошибка и процесс ее формирования. Коррекция скоростной ошибки. Контурная ошибка приводов и характер ее образования при движении по прямолинейной траектории под углом и по окружности. Ошибка дискретизации систем числового программного управления
(ЧПУ).
Литература: [2, с. 16-22]; [5, с. 8-9]; [13, с. 8-14]; [14, с. 18-29].
Методические указания
Изучение данного раздела требует определения понятий программного управления и СПУ. В данном разделе требуется рассмотреть аналоговые СПУ, их достоинства и недостатки и цикловые СПУ, которые являются переходными СПУ от систем управления с помощью упоров к системе ЧПУ. Изучение СПУ требует рассмотрения их достоинств и недостатков по сравнению с системами ЧПУ, упрощенной функциональной схемы и принципа ее работы.
Изучение динамики СПУ требует рассмотрения факторов, влияющих на точность их работы. Основными факторами, влияющими на качество работы СПУ, являются статистические и динамические характеристики приводов технологического оборудования. При этом приводы должны не только отрабатывать с заданными требованиями высокие скорости и ускорения, но и обеспечивать требуемые динамические свойства, т. е. требуемый характер переходного процесса в СПУ. Поэтому необходимо рассмотреть вопрос, почему апериодический характер переходного процесса является наиболее благоприятным и в чем его недостатки.
При изучении динамики СПУ необходимо рассмотреть процесс образования скоростной ошибки и ошибки по ускорению, а также способы введения коррекции по их уменьшению и процесс формирования контурной ошибки при обработке прямолинейных поверхностей, находящихся под углом к направлению движения приводов и окружностей, рассмотрев подробно факторы, влияющие на ее величину. В заключение требуется рассмотреть ошибку, имеющую место в системах ЧПУ из-за дискретного характера выработки управляющих воздействий.
8
Контрольные вопросы
1. Что такое программное управление?
2.Что обеспечивают СПУ?
3.Какую роль играют аналогии в СПУ?
4.Основная особенность аналоговых СПУ?
5.Чем характеризуются цикловые СПУ?
6.Достоинства и недостатки станков с цикловыми СПУ по сравнению с системами ЧПУ.
7.Назначение устройства задания и ввода-вывода программы в цикловой СПУ.
8.Что должны обеспечивать динамические возможности приводов?
9.Почему апериодический закон изменения выходной координаты является наиболее благоприятным в СПУ?
10.От чего зависит величина скоростной ошибки?
11.В чем состоит коррекция скоростной ошибки?
12.Отчего зависит величина контурной ошибки при движении приводов по прямолинейной траектории под углом?
13.Чем определяется контурная ошибка при обработке окружно-
стей?
14.Что влияет на ошибку дискретизации в системах ЧПУ?
2.4. Системы числового программного управления
Понятие системы ЧПУ станком. Основные преимущества систем ЧПУ: гибкость; возможность обработки сложных деталей; обработка крупных деталей; сокращение стоимости инструментальной и крепежной оснастки; качество.
Классификация систем ЧПУ: по степени совершенства и функциональным возможностям; по виду движения исполнительных механизмов; по числу потоков информации.
Классификация функций систем ЧПУ.
Геометрическая задача ЧПУ. Реализация геометрической задачи ЧПУ с помощью управляющей программы (УП). Кадр УП. Подготовка буферного кадра. Отработка рабочего кадра. Интерполяция. Дискрета УП. Способы организации интерполяции. Отработка управляющих дискрет следящими приводами. Схема работы следящего привода.
9
Логическая задача ЧПУ. Операции технологического обеспечения. Система цикловой электроавтоматики (СЦЭА) станка. Функции СЦЭА. Цикл автоматики станка с ЧПУ. Дискретные механизмы станка. Структура вспомогательного технологического обеспечения станка. Обобщенная модель решения логической задачи ЧПУ на основе ФА. Описание внутренней структуры СЦЭА на основе ФА. Общая конфигурация систем управления цикловой автоматики.
Терминальная задача ЧПУ. Инструмент общения оператора с панелью. Назначение клавиатуры. Информация, представляемая экраном дисплея. Диалоговый режим работы оператора с системой управления. Варианты диалога оператора с устройством ЧПУ: управление процессом и объектом; системная работа; автоматизированное проектирование УП и редактирование УП.
Технологическая задача ЧПУ. Точность детали. Координатные системы детали, станка и инструмента. Статическая настройка детали. Случайная и систематическая погрешности. Размерная поднастройка. Методы осуществления статической настройки. Динамическая настройка. Схема решения технологической задачи ЧПУ, связанная с управлением качеством обработки. Управление эффективностью обработки. Экономический режим резания. Оптимизация режимов резания. Адаптивная система ЧПУ. Обобщенная структура адаптивного управления.
Функциональная схема систем ЧПУ. Задачи, решаемые при расчете систем ЧПУ. Алгоритмы расчета позиционной и контурной систем ЧПУ.
Литература: [1, с. 13-86]; [4, с. 184-195]; [5, с. 9-12]; [15, с. 101-
109].
Методические указания
Изучение систем ЧПУ начинается с анализа их основных преимуществ по сравнению с аналоговым СПУ и их классификации по степени совершенства и функциональным возможностям (системы ЧПУ NC -, SNC -, CNC -, DNC - классов), по виду движения исполнительных механизмов станка (позиционные, контурные и комбинированные) и по числу потоков информации (замкнутые, разомкнутые, адаптивные) с указанием достоинств и недостатков каждого класса.