Автоматизированные системы управления технологическим процессом

ПЛАН ЛЕКЦИИ
Введение.
Терминология, применяемая при разработке систем автоматизированного управления технологическими процессами и оборудованием.
Структурная схема ручной системы управления объектом.
Современные САУ.
Понятие об устойчивости САУ.

ТЕРМИНОНОЛОГИЯ, ПРИМЕНЯЕМАЯ ПРИ РАЗРАБОТКЕ СИТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ И ОБОРУДОВАНИЕМ
Для описания автоматизированных систем используют специальную терминологию.
ТАУ – теория автоматического управления – это совокупность методов и специального математического аппарата, позволяющих спроектировать работоспособную промышленную систему автоматического управления (САУ).
САУ – система автоматического управления – совокупность технических средств по управлению значением регулируемого параметра, в которой вычислительные и логические операции осуществляются с помощью специального технического устройства – автоматического регулятора, программируемого контроллера или компьютера. Основной частью (узлом, элементом) САУ является объект управления.
Объект управления – это техническая установка, оборудование или технологическая цепь установок, физико-химические процессы, которыми управляют с помощью специальных технических средств.

Технологические параметры – это физико-химические величины, характеризующие состояние технологического процесса в объекте управления (температура, давление и т.п.).
Регулируемый параметр – это технологический параметр, значением которого управляют с помощью специальных технических средств.
Параметры состояния объекта – выходные величины, объективные показатели объекта в заданный момент времени, измеряемые в определённых физических (градусы, килограммы и др.) или относительных (доли, проценты, баллы и др.) единицах.
Управление объектом – это процесс воздействия на объект с целью достижения показателей состояния заданных значений в определённый момент времени.
Цель управления – достижение необходимого состояния объекта, заданного значениями его параметров.
Система ручного регулирования (СРР) – это совокупность технических средств по управлению значением регулируемого параметра, в которой вычислительные и логические операции осуществляет человек-оператор.
Воздействия – факторы, изменяющие течение технологического процесса в объекте управления.

Управляющие воздействия – это воздействия на объект управления, организуемые техническим устройством или человеком-оператором с целью компенсации влияния возмущающих воздействий.
Сигналы – совокупность потоков энергии или вещества, поступающих или выходящих из объекта управления, возмущающие и управляющие воздействия, а также регулируемый параметр. По направлению различают входные и выходные сигналы объекта управления.
Основой управления является переработка информации о состоянии объекта в соответствии с целью управления.
Управление может осуществляться человеком (автоматизированное) или специальными техническими устройствами (автоматическое).
Техническое устройство, с помощью которого осуществляют автоматическое управление объектом, называется управляющим устройством.

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА РУЧНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ОБЪЕКТОМ
1 – объект управления; 2 – измерительные приборы; 3 – оператор; 4 – регулирующий орган; показатели технологического процесса: X(t) – входные; Y(t) – выходные; Xв(t) – возмущающие; I(t) – измеряемы; E0(t) – решение оператора; Z(t) – регулирующее воздействие
На объект управления 1 поступает исходная информация, например о качестве сырья X(t), изменяющемся во времени.
Вместе с тем имеется информация Xв(t), которая определяет возмущающие, противодействующие ходу нормального технологического процесса показатели (засорённость сырья или другие).
Объект управления 1 имеет регулятор 4 для изменения входных показателей X(t), на который в какой-либо форме подаются возмущающие показатели технологического процесса. Выход Y(t) может определяться множеством параметров, в том числе и показателями качества и количества готового продукта, а также условиями протекания процесса (температура, влажность).

Показатели процесса Y(t) контролируют прибором 2 (в лаборатории или с использованием экономического анализа). В результате человек-оператор 3 располагает текущей оперативной информацией I(t) о ходе протекания процесса.
Регулирующий орган 4 подаёт на объект управления 1 необходимое число компонентов для осуществления технологического процесса. Однако принимать решения о том, какое количество, когда и какого качества подавать тот или иной компонент технологического процесса регулирующий орган не может. Это делает человек-оператор.
Оператор, анализируя выходную информацию I(t), входные X(t) и возмущающие Xd(t) воздействия и на основании инструкций о необходимом режиме протекания технологического процесса, принимает решение о необходимых параметрах работы объекта E0(t) – даёт команду Z(t) на открытие соответствующих заслонок, приводов, увеличивает или отключает подачу тепла, холода и т.п.
Оператор – человек, который обладает большими аналитическими возможностями обобщения информации и принятия решений. Однако для этого необходим большой объём знаний и опыт работы.
В настоящее время происходит замена ручной системы управления на автоматические устройства управления.

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА САУ
САУ состоит из отдельных узлов-элементов, соединённых друг с другом определённым образом. Структурные схемы САУ представляют в виде цепочки элементов, каждый из которых подвержен действию одного или нескольких входных воздействий, в результате чего изменяются выходные показатели, характеризующие состояние этого элемента.
Структурная схема САУ включает в себя два элемента – объект управления ОУ и устройство управления УУ. В схему УУ входят: датчики показателей технологического процесса; задающее устройство, хранящее нормативные показатели технологического процесса; сравнивающее устройство, на вход которого подаются заданные показатели и действительные показатели процесса, а на выходе считывают результат сравнения заданных и действительных условий процесса; схема управления, выдающая решение E(t), а также исполнительное устройство, преобразующее сигналы схемы управления в конкретные управляющие воздействия для регулирующего органа, который изменяет воздействие на входе объекта управления.
Рабочие органы изменяют показатель процесса Y(t) до тех пор, пока последний не сравняется с заданным Yз(t) и на выходе сравнивающего устройства не появится сигнал рассогласования e(t), равный (или близкий) нулю – САУ достигла цели управления.

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
1 – объект управления; 2 – датчики показателей технологического процесса; 3 – задающее устройство протекания технологического процесса; 4 – сравнивающее устройство; 5 – устройство управления; 6 – исполнительное устройство; 7 – регулирующий орган
X(t) – входные показатели (воздействия);
Xв (t) – входные возмущающие воздействия;
Y(t) – выходные показатели;
E0(t) – решение управляющего устройства;
E(t) – исполнение решения;
Z(t) – регулирующее воздействие;
Yз (t) – заданные условия протекания технологического процесса;
e(y) = Yз(t) – Y(t) – результат сравнения

Работает система следующим образом. В задающем устройстве 3 заданы необходимые параметры протекания технологического процесса – температура, влажность и т.д.
В начале работы известны входные показатели процесса X(t) и Xв(t) возмущающие воздействия. Если технологический процесс не отлажен, то значение показателя Y(t) отличается от заданного Yз(t), поэтому на выходе задающего устройства 3 сигнал e(t) отличается от нуля. Этот сигнал подаётся на схему управления 5, в которой заложены алгоритмы выработки управляющего решения в зависимости от величины рассогласования e(t) для каждого контролируемого показателя и их соотношений. Устройство управления 5 выдаёт управляющее воздействие E0(t) в виде набора сигналов на входы исполнительного устройства 6, которое в каждый момент времени преобразует управляющие сигналы в мощный сигнал E(t), включающий рабочий орган 7, например нагревательное устройство или др., которые и изменяют входные параметры Z(t).
Такое состояние САУ будет сохраняться до тех пор, пока не изменятся входные показатели процесса X(t) или внешние возмущающие воздействия Xв (t). Тогда вновь появится сигнал рассогласования e(t), отличный от нуля, и схема управления 5 изменит своё управляющее воздействие и т.д.

СОВРЕМЕННЫЕ САУ
Современные САУ включают в свой состав компьютер для переработки информации, поступающей от ОУ (объекта управления).
Если в задачу управления входит стабилизация выходных показателей, процесс управления называют регулированием, объект управления – объектом регулирования, управляющие устройства – автоматическими регуляторами, а системы автоматического управления – системами автоматического регулирования.
В САУ под обратной связью понимают такую жёстко организованную связь выходного сигнала системы с входным, при которой отклонение выходного сигнала системы, т.е. объекта, вызывает соответствующее изменение входного сигнала. Различают отрицательную и положительную обратную связь (при отрицательной – отклонение выходного сигнала одного знака вызывает изменение входного сигнала противоположного знака; при положительной – отклонение выходного сигнала одного знака вызывает изменение входного сигнала того же знака). В промышленных САУ регулятор всегда включён в отрицательную обратную связь.
Системы автоматического управления можно классифицировать по нескольким признакам.

КЛАССИФИКАЦИЯ САУ

ПОНЯТИЕ ОБ УСТОЙЧИВОСТИ САУ
В САУ, работающей по отклонению, регулятор изменяет управляющий сигнал после того, как регулируемый параметр отклонился от заданного значения. Следовательно, он должен не только компенсировать возмущающее воздействие, но и свести к нулю отклонение регулируемого параметра от заданного значения.
При этом могут быть следующие случаи.
1. Регулятор вырабатывает управляющий сигнал недостаточной мощности. При этом скорость нарастания отклонения регулируемого параметра от заданного значения уменьшается, но само отклонение продолжает расти. График процесса регулирования – изменение во времени выходного сигнала Y системы после нанесения на неё возмущающего воздействия будет расходящийся, а работа САУ – неустойчивой.
Отклонение выходной величины
Δ i = Yi – X0
увеличивается с течением времени, i = 1, 2, 3…; X0 - заданная величина.

ГРАФИКИ ПРОЦЕССОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ В САУ:
а – процесс регулирования с выходным сигналом регулятора недостаточной мощности;
б – процесс регулирования с входным сигналом регулятора избыточной мощности;
в – процесс регулирования с выходным сигналом регулятора небольшой мощности

2. Регулятор вырабатывает управляющий сигнал избыточной мощности, который не только компенсирует возмущающее воздействие и сводит к нулю отклонение регулируемого
параметра от заданного значения, но и вызывает новое отклонение Δi , противоположное по знаку и большей амплитуды. График процесса регулирования в такой САУ также будет расходящийся (расходится с заданием), а работа САУ – неустойчивой.
3. Регулятор вырабатывает управляющий сигнал необходимой мощности. При этом регулируемый параметр либо плавно возвращается к заданному значению (апериодический процесс регулирования), либо возвращается к нему через колебания уменьшающейся амплитуды (колебательный процесс регулирования). Такие графики процессов регулирования называются сходящимися, а работа САУ будет устойчивой.
Неустойчивые системы неработоспособны.
Но кроме устойчивости САУ должна отвечать требованиям по качеству своей работы, которое оценивают по значениям статической и динамической ошибок. По этим характеристикам автоматические системы бывают статические и астатические.

Статическая ошибка – это разность величин регулируемого параметра в исходном и конечном (после окончания регулирования) состояниях равновесия системы.
В астатической системе статическая ошибка равна нулю, т.е. система после процесса регулирования возвращается в исходное состояние равновесия.
В статической системе в установившемся состоянии – через достаточно долгое время после начала регулирования всегда имеется статическая ошибка регулирования.
Динамическая ошибка Δдин – это максимальное в процессе регулирования отклонение регулируемого параметра от конечного состояния равновесия.
Время регулирования – это отрезок времени с момента нанесения на замкнутую САУ возмущающего воздействия, по истечении которого отличие регулируемого параметра от конечного состояния равновесия становится равным и меньше ±5% от заданной величины.