Понятие технологического процесса как объекта управления. Классификация систем управления

Один из этапов проектирования систем регулирования технологических процессов – выбор структуры системы и расчет оптимальных параметров регуляторов. И структура системы, и параметры регуляторов определяются свойствами технологического процесса как объекта регулирования.

Любой технологический процесс как объект регулирования характеризуется следующими основными группами переменных.

1. Переменные, характеризующие состояние процесса (совокупность их будем обозначать вектором y). Эти переменные в процессе регулирования необходимо поддерживать на заданном уровне или изменять по заданному закону. Точность стабилизации переменных состояния может быть различной, в зависимости от требований, диктуемых технологией, и возможностей системы регулирования. Как правило, переменные, входящие в вектор у, измеряют непосредственно, но иногда их можно вычислить, используя модель объекта по другим непосредственно измеряемым переменным. Вектор у часто называют вектором регулируемых величин.

2. Переменные, изменением которых система регулирования может воздействовать на объект с целью управления. Совокупность этих переменных обозначают вектором х_р (или u) регулирующих воздействий. Обычно регулирующими воздействиями служат изменения расходов материальных потоков или потоков энергии.

3. Переменные, изменения которых не связаны с воздействием системы регулирования. Эти изменения отражают влияние на регулируемый объект внешних условий, изменения характеристик самого объекта и т. п. Их называют возмущающими воздействиями и обозначают вектором х_в или z. Вектор возмущающих воздействий, в свою очередь, можно разбить на две составляющие – первую можно измерить, а вторую – нельзя. Возможность измерения возмущающего воздействия позволяет ввести в систему регулирования дополнительный сигнал, что улучшает возможности системы регулирования.

Например, для изотермического химического реактора непрерывного действия, регулируемыми переменными являются; температура реакционной смеси, состав потока на выходе из аппарата; регулирующими воздействиями могут быть изменение расхода пара в рубашку реактора, изменение расхода катализатора и расхода реакционной смеси возмущающими воздействиями являются изменения состава сырья, давления греющего пара, причем если давление греющего пара нетрудно измерить, то состав сырья во многих случаях может быть измерен с низкой точностью или недостаточно оперативно.

Анализ технологического процесса как объекта автоматического регулирования предполагает оценку его статических и динамических свойств по каждому из каналов от любого возможного управляющего воздействия к любому возможному регулируемому параметру, а также оценку аналогичных характеристик по каналам связи регулируемых переменных с составляющими вектора возмущений. В ходе такого анализа необходимо выбрать структуру системы регулирования, т. е. решить, с использованием какого регулирующего воздействия следует управлять тем или иным параметром состояния. В результате во многих случаях (отнюдь не всегда) удается выделить контуры регулирования для каждой из регулируемых величин, т. е. получить совокупность одноконтурных систем регулирования.

Цель анализа объекта управления (технологического процесса) – математически связать характеристики состояния производственного процесса в виде модели.

Технологические процессы классифицируются на:

дискретные - (штучные, периодически повторяемые процессы),

непрерывные - (в которых конечный продукт непрерывно вырабатывается при непрерывном входе сырья, энергии, компонентов, управляющих воздействий и др.),

непрерывно-дискретные - (где в относительно длительном промежутке времени вырабатывается определенное ограниченное количество конечного продукта, периодически выдаваемого), поэтому для них характерно наличие циклов и сочетание особенностей непрерывного и дискретного процессов.

Классификация систем автоматического регулирования.

Системы автоматического регулирования можно классифицировать по различным признакам: принципу действия, характеру сигналов, математическому описанию, виду используемой энергии и т. д. Рассмотрим сначала классификацию систем по принципу их действия. При этом все многообразие систем автоматического регулирования можно подразделить на четыре класса: системы, работающие по разомкнутому, замкнутому, комбинированному циклам, и самонастраивающиеся системы. Самонастраивающиеся системы для нормального функционирования не требуют полных знаний о характере процесса регулирования и в процессе работы приспосабливаются к изменяющимся внешним условиям.

Каждый класс систем регулирования разделяется на группы (рис. 2). Системы автоматического регулирования, работающие по замкнутому циклу, делятся на системы автоматической стабилизации, системы программного регулирования и следящие системы.

В системах автоматической стабилизации управляющие воздействия являются постоянными заранее заданными величинами. Системы программного регулирования отличаются от систем стабилизации тем, что в них управляющие воздействия являются известными функциями времени. В следящих системах управляющие воздействия представляют собой заранее неизвестные функции времени.

Системы автоматического регулирования, работающие по разомкнутому циклу, делят на системы компенсации и разомкнутые системы программного регулирования. Системы компенсации уменьшают влияние возмущающих воздействий на регулируемые переменные путем изменения самих воздействий или компенсации их действия на системы.

В последнее время весьма широкое применение получили разомкнутые системы программного регулирования. К ним прежде всего относятся металлорежущие станки с программным управлением. Программа управления, записанная на магнитных запоминающих устройствах в цифровом коде, поступает на исполнительные устройства станков, обеспечивая заданную последовательность выполнения операций обработки.

Системы автоматического регулирования, работающие по комбинированному циклу, делятся на две группы: системы автоматической стабилизации и следящие системы. Эти системы могут иметь один или два разомкнутых цикла, компенсирующих влияние сигналов управления и возмущения.

Наконец, к последнему классу систем относятся три группы: самонастраивающиеся системы, экстремального регулирования, системы с перестраивающимися устройствами и аналитические самонастраивающиеся системы.

В экстремальных системах автоматический регулятор поддерживает экстремальное значение регулируемой величины путем подачи поискового сигнала.

В системах с перестраивающимися устройствами параметры или структура автоматически изменяются в зависимости от управляющих и возмущающих воздействий или переменности параметров объекта. Перестройка свойств аналитических самонастраивающихся систем осуществляется на основе аналитического определения их динамических характеристик. Из этого определения следует, что в состав аналитических самонастраивающихся систем должны входить вычислительные машины. Следует отметить, что в самонастраивающихся системах регулирования с игровыми вычислительными машинами последовательность действий, заданная программой, называется алгоритмом.

В ряде случаев в самонастраивающиеся системы, кроме обычных устройств систем регулирования, входят элементы, выполняющие логические операции, блоки памяти и устройства формирования поискового сигнала. Помимо основных логических элементов, осуществляющих операции ДА, НЕТ, И, ИЛИ, здесь применяются более сложные элементы, выполняющие операции совпадения, равнозначности, нахождения экстремума, выбора из нескольких однородных величин наибольшей или наименьшей.

При классификации систем регулирования по виду сигналов все системы можно разделить на: непрерывные, дискретные, дискретно-непрерывные (цифровые) и релейные. В непрерывных системах все сигналы в устройствах и объектах регулирования представляют собой непрерывные функции времени. В дискретных системах все сигналы квантуются по времени и амплитуде, а в дискретно-непрерывных – только по времени. В последнем классе систем имеются две группы устройств регулирования: непрерывных и дискретных. При квантовании непрерывного сигнала по уровню образуется ступенчатый сигнал. Элементы, осуществляющие квантование сигнала по уровню, называются релейными, а системы с подобного рода элементами – релейными системами автоматического регулирования.

Классификация по математическому описанию разделяет все системы на два класса: линейные и нелинейные (т. е. по виду дифференциальных уравнений, описывающих поведение системы в динамике). При такой классификации каждый класс систем можно разбить на четыре группы: 1) стационарные с сосредоточенными параметрами; 2) стационарные с сосредоточенными и распределенными параметрами; 3) нестационарные системы с сосредоточенными параметрами; 4) нестационарные системы с сосредоточенными и распределенными параметрами.

Первая группа систем описывается обыкновенными дифференциальными уравнениями с постоянными параметрами. В системах с распределенными параметрами (вторая группа) отдельные устройства системы или ее объекты описываются дифференциальными уравнениями в частных производных. В системах третьей и четвертой групп параметры дифференциальных уравнений изменяются в зависимости от времени. Каждая группа систем может быть разделена на две подгруппы на детерминированные и стохастические.

При классификации по виду используемой энергии все системы можно подразделить на электрические, гидравлические, пневматические, электрогидравлические, электропневматические и т. п. Однако этой классификацией в настоящее время пользуются крайне редко.

Как известно, всякая система автоматического регулирования состоит из объекта регулирования и регулятора, в который входит чувствительный элемент. Системы регулирования, где чувствительный элемент воздействует непосредственно на регулирующий орган, называются системами прямого регулирования, а регуляторы – регуляторами прямого действия.

В регуляторах прямого действия энергия, необходимая для изменения положения регулирующего органа, поступает от чувствительного элемента. Если последний не в состоянии развить требуемую мощность для нормальной работы регулирующего органа, то система регулирования не может функционировать. Кроме того, системы прямого регулирования имеют низкую точность и поэтому применяются редко.

В системах непрямого регулирования после чувствительного элемента устанавливаются усилители мощности и серводвигатели, воздействующие на регулируемые органы. В этом случае повышается точность и качество процессов регулирования.

В заключение отметим, что в зависимости от числа регулируемых величин системы автоматического регулирования подразделяют на одномерные (одна регулируемая величина), двухмерные (две регулируемые величины) и многомерные (при n регулируемых величинах). Многомерные системы регулирования могут быть системами несвязанного и связанного регулирования. В системе несвязанного регулирования регуляторы, управляющие различными переменными, не связаны друг с другом и работают независимо. В системе связанного регулирования регуляторы связаны между собой и для нормальной работы требуется их вполне определенное взаимодействие. Систему связанного регулирования называют автономной, если существуют такие связи между регуляторами, когда изменение одной из регулируемых величин не вызывает изменения остальных.

По принципу действия – разомкнутые, замкнутые, комбинированные, самонастраивающие.

Замкнутые – стабилизации, программные, следящие.

Разомкнутые – системы компенсации, программные.

Комбинированные – стабилизации, следящие.

Самонастраивающие – экстремальные, с перестраивающими устройствами, аналитически самонастраивающие. (в перенастраиваемых - параметры или структура автоматически изменяется в зависимости от управляющих и возмущающих воздействий или переменности параметров объекта), (в аналитических - перестройка свойств систем осуществляется на основе аналитического определения их динамических характеристик).

По виду сигналов – непрерывные, дискретные, дискретно-непрерывные (цифровые), релейные.

По математическому описанию – линейные и нелинейные.

При этом каждый класс можно разбить на четыре группы по виду дифференциальных уравнений

1 - стационарные с сосредоточенными параметрами

2 -стационарные с сосредоточенными и распределенными параметрами

3 - нестационарные системы с сосредоточенными параметрами

4 - нестационарные системы с сосредоточенными и распределенными параметрами

В зависимости от числа регулируемых величин – одномерные и многомерные (несвязанные и связанные - автономные).

Прямого действия и не прямого. (где чувствительный элемент воздействует непосредственно на регулирующий орган или сигнал чувствительного элемента преобразуется и усиливается)

Автоматизация производств строится двух видов – автоматизация участков, агрегатов и т.п. и автоматизация на уровне предприятий и производств, отраслей.

Локальные системы автоматизации их состав – автоматический контроль, регулирование, стабилизации и программного управления, сигнализации, блокировки, защиты от аварий. Дальнейшее совершенствование систем управления связано с использованием многоконтурных систем и систем оптимального управления.

Автоматические системы выполняют следующие функции управления:

· одноконтурное автоматическое регулирование

· каскадное и программное регулирование

· многосвязанное автоматическое регулирование

· логическое управление (блокировка)

· согласование (координация) работы агрегатов, участков

· оптимальное управление установившимся режимом (в статике)

· оптимальное управление переходными режимами (в динамике)

· автоматическое программно – логическое управление

· оптимальное управление с адаптацией и изменением алгоритмов и параметров системы.

Автоматизированная система управления СУТП ТП – это СУТП для выработки и реализации управляющих воздействий на ТОУ в соответствии с принятым критерием управления.

Критерий управления СУТП ТП – соотношение, характеризующее качество работы технологического объекта управления в целом и принимающее числовые значения в зависимости от управляющих воздействий.

СУТП ТП отличается от локальной автоматизации более совершенной организацией потоков информации, более полным ее представлением, более высокой степенью автоматизации функций управления, включая пуск и останов Т.П.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: