Системы мониторинга и управления
| English | Русский |
|---|---|
| preset value/ˈpriːset ˈvæljuː/ | предустановленное значение |
| actuator/ˈæktʃuːeɪtə/ | исполнительный механизм |
| monitoring/ˈmɒnɪtərɪŋ/ | мониторинг |
| sensors/ˈsensəz/ | датчики |
| control system/kənˈtrəʊl ˈsɪstəm/ | система управления |
| feedback/ˈfiːdbæk/ | обратной связью |
| thermistor/ˈθɜːmɪstə/ | термистор |
| ADC/ˌeɪ diː ˈsiː/ | АЦП (ADC) |
| feedback loop/ˈfiːdbæk luːp/ | петля обратной связи |
Учитель, усталый от постоянных прерываний
- В 1883 году Уоррен Джонсон, преподаватель колледжа в Висконсине, устал от того, что дворник заходил в класс, чтобы проверить отопление.
- Он создал устройство с полоской из двух металлов, которые изгибались при нагревании и охлаждении помещения. При заданной температуре замыкался контакт, и звенел звонок в котельной.
- Датчик, заданное значение, сигнал исполнителю и повторное измерение температуры: первая автоматическая система управления в здании.
- Сегодня в качестве датчика и исполнительного механизма выступают процессор и исполнительный механизм вместо дворника, но суть компонентов та же.
Мониторинг и управление
- Обе системы считывают данные с датчиков. Разница заключается в дальнейших действиях.
- Система мониторинга собирает, записывает или отображает показания и не предпринимает действий, хотя может подать предупреждение: метеостанция, медицинский монитор, подающий звуковой сигнал.
- Система управления сравнивает каждое показание с заданным значением и, если оно выходит за допустимые рамки, отправляет сигналы исполнительным механизмам, изменяющим физический процесс: термостат, включающий котел.
Мониторинг фиксирует информацию; управление выполняет действие и затем снова измеряет результат
Ключевое отличие между системой мониторинга и системой управления заключается в том, что система управления:
Обе считывают данные с датчиков, но система управления использует эти данные для воздействия (через исполнительные механизмы), тогда как мониторинг лишь собирает и отчитывается.
Чистая система мониторинга предпринимает действия через исполнительные механизмы для изменения своей среды.
Мониторинг лишь собирает и отчитывается о данных — он не воздействует. Воздействие через исполнительные механизмы делает систему системой управления.
Разобранный пример: трехбалльный вопрос «опишите различия»
- Система мониторинга только измеряет, записывает или отображает показания и максимум подает предупреждение.
- Система управления сравнивает каждое показание с заданным значением и, если оно выходит за пределы нормы, отправляет сигналы исполнительным механизмам, изменяющим процесс.
- После этого изменения снова измеряются, поэтому система управления содержит обратную связь, а система мониторинга — нет.
- Три пункта, три балла. Ключевой критерий для любой системы — второй пункт: предпринимает ли она действие на основе полученного показания?
Система управления сравнивает каждое показание датчика с ____ значением и воздействует только если показание выходит за пределы диапазона.
Сравнение с хранящимся предустановленным значением — это признак, отделяющий систему управления от устройства, которое просто реагирует.
Датчики
- Датчик преобразует физическую величину в электрический сигнал: температуру (термистор или термопара), давление (деформационный датчик), инфракрасное излучение, звук, свет, влажность.
- Большинство сигналов датчиков аналоговые, поэтому АЦП (аналогово-цифровой преобразователь) превращает их в двоичный код перед тем, как процессор сможет сравнить их с другими данными.
- Назовите конкретный тип датчика для данной величины: ответ «датчик температуры» будет приемлемым, но «термистор» — более точным.
Термистор: его сопротивление меняется в зависимости от температуры
Датчик:
Датчик измеряет мир и выдает сигнал. Исполнитель делает обратное — превращает сигнал в действие.
Исполнительные механизмы
- Исполнительный механизм совершает обратную операцию относительно датчика: преобразует сигнал от процессора в физическое действие.
- Двигатели открывают двери и клапаны, нагреватели и охладители изменяют температуру, насосы перемещают воду, зуммер или лампа предупреждают человека.
- Выход процессора является цифровым; там, где исполнительному механизму требуется изменяемый сигнал, ЦАП преобразует его сначала.
Двигатель: исполнительный механизм, превращающий сигнал в движение
Сопоставьте каждое устройство с тем, является ли оно датчиком (вход) или исполнительным механизмом (выход).
Датчик превращает физическую величину в сигнал; исполнительный механизм превращает сигнал в физическое действие.
Что является исполнительным механизмом?
Исполнительный механизм выполняет действие (мотор, клапан, нагреватель, зуммер). Остальные являются датчиками/входами.
Цикл управления
- Датчик измеряет. АЦП преобразует показание в цифровой код. Процессор сравнивает его с заданным значением.
- Если показание выходит за пределы диапазона, процессор отправляет сигнал исполнительному механизму, который изменяет процесс.
- Датчик измеряет снова, и цикл повторяется. Это повторное измерение после каждого действия называется циклом обратной связи.
Цикл обратной связи управления
Пройдите по контуру, который повторяют термостат или автопилот. Система управления не просто считывает мир — она воздействует, затем измеряет снова, корректируя себя снова и снова.
Расставьте этапы одного цикла работы системы управления по порядку.
Измерение, преобразование, сравнение, действие, повторное измерение. Последний шаг обеспечивает обратную связь.
Разобранное решение: автоматическая дверь
- Опишите, как система открывает дверь, когда человек находится в пределах 2 метров, и закрывает её, когда никого нет.
- Инфракрасный или ультразвуковой датчик измеряет расстояние до любого объекта перед дверью. АЦП преобразует аналоговое показание и отправляет его процессору.
- Процессор сравнивает расстояние с заданным значением 2 метра. Если оно меньше, он отправляет сигнал исполнительному механизму, двигателю, чтобы открыть дверь.
- Датчик продолжает измерять. Когда не поступает показания ниже 2 метров, процессор подает сигнал двигателю закрыть дверь. Повторное измерение — это обратная связь.
Что из перечисленного относится к системе автоматических дверей? Отметьте все подходящие варианты.
Датчик, преобразователь, задающее значение и исполнительный механизм — это рабочие части. Принтер является внешним устройством мониторинга; он не участвует в открывании двери.
Разобранное решение: теплица
- Поддерживайте температуру в теплице между 20 °C и 26 °C. Термистор считывает температуру; АЦП оцифровывает её; процессор сравнивает с двумя заданными пределами.
- Ниже 20 °C: сигнал на исполнительный механизм нагревателя включает его. Выше 26 °C: сигнал на двигатель открывает форточку и выключает нагреватель.
- Внутри диапазона: никаких действий, но показание всё равно снимается. Затем цикл повторяется.
- Каждый ответ по системе управления содержит эти пять частей: датчик, АЦП, сравнение с заданным значением, исполнительный механизм и повторное измерение.
Почему важна обратная связь
- Без обратной связи система не может узнать, сработало ли её действие, поэтому она не может скорректировать себя или знать, когда остановиться. Нагреватель без контроля температуры будет греть вечно.
- Обратная связь также позволяет системе реагировать на самостоятельные изменения окружающей среды: дверь, открытую вручную, облака над теплицей.
- Система мониторинга не имеет обратной связи, так как ничего не изменяет. Она может только сообщать или предупреждать.
Почему обратная связь необходима в системе управления?
Обратная связь замыкает цикл: исполнительный механизм изменяет среду, датчики повторно измеряют её, и система корректирует работу — например, термостат прекращает нагрев после достижения целевой температуры.
Соотнесите каждую систему с её типом.
Подача сигнала тревоги — это всё ещё отчет (мониторинг). Только система, изменяющая физический процесс посредством исполнительного механизма, является системой управления.
Потерянные баллы
- Система мониторинга не использует исполнительные механизмы. Если ваш ответ содержит переключение чего-либо метеостанцией, это уже стала системой управления.
- Сигналы датчиков являются аналоговыми. Укажите, что АЦП преобразует их перед тем, как процессор выполнит сравнение.
- Сравнение осуществляется с заданным значением. Фраза «процессор принимает решение» не приносит баллов; «сравнивает показание с сохранёнными 2 метрами» — приносит.
- Укажите, что цикл повторяется. Точка обратной связи — самая частая упускаемая деталь.
Вы поняли
- мониторинг = считывание сигналов датчиков, запись или отображение, максимум предупреждение; управление = сравнение с заданным значением, воздействие через исполнительные механизмы, повторное измерение
- датчик превращает физическую величину в сигнал через АЦП; исполнительный механизм превращает сигнал в действие
- цикл: датчик → АЦП → сравнение → исполнительный механизм → повторное измерение; повторение — это обратная связь
- опишите любую систему управления с этими пятью частями в указанном порядке