Автоматизированные системы управления технологическим процессом и отдельным оборудованием

Для описания автоматизированных систем используют специальную терминологию, применяемую при разработке систем автоматизированного управления технологическими процессами и оборудованием.

ТА У — 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 (отжимной пресс, выпарная установка, автоклав и др.) или технологическая цепь установок, физико-химические процессы (нагрев, охлаждение, хранение, смешивание и т. д.), которыми управляют с помощью специальных технических средств.

Технологические параметры — это физико-химические величины, характеризующие состояние технологического процесса в объекте управления. Например: температура, давление, частота вращения и др.

Регулируемый параметр — это технологический параметр, значением которого управляют с помощью специальных технических средств. Число регулируемых параметров, как правило, значительно меньше общего числа технологических параметров.

Параметры состояния объекта — выходные величины, объективные показатели объекта в заданный момент времени, измеряемые в определенных физических (градусы, килограммы и др.) или относительных (доли, проценты, баллы и т. п.) единицах.

Управление объектом — это процесс воздействия на объект с целью достижения показателей состояния заданных значений в определенный момент времени.

Цель управления — достижение необходимого состояния объекта, заданного значениями его параметров, например температуры при варке сырья или влажности продукта в процессе хранения. Цель управления в данный момент времени считается достигнутой, если получены заданные значения параметров объекта управления.

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. Они могут быть возмущающими и управляющими.

Возмущающие воздействия носят случайный, труднопредсказуемый характер, например температура наружного воздуха, колебания напряжения в электросети и др.

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. Воздействия, возмущающие и управляющие, будут входными сигналами для объекта управления.

Регулируемый параметр в ТАУ всегда принимают за выходной сигнал объекта управления, даже если он физически никуда за пределы объекта не выходит. Например, температура в топке котла, уровень материала в бункере, напряжение на обмотках электродвигателя и др.

В ТАУ любой сложности объект изображают в виде простого прямоугольника.

Основой управления является переработка информации о состоянии объекта в соответствии с целью управления.

Управление может осуществляться человеком (оператор управляет режимом хранения продукции) или специальным техническим устройством.

Управление, осуществляемое без участия человека, называется автоматическим, с участием человека — автоматизированным.

Уровень автоматизации производственного процесса оценивают отношением количества автоматизированных операций А_а к общему их числу N:

Уровень автоматизации зависит от типа производства. В единичном производстве он не превышает 0,2, в массовом — приближается к 0,8.

Техническое устройство, с помощью которого осуществляют автоматическое управление объектом, называется управляющим устройством.

В управлении технологический процесс (объект управления) рассматривается как преобразование информации о перерабатываемом продукте (сырье).

Структурная схема ручной системы управления объектом приведена на рис. 12.5.

На объект управления 1 поступает исходная информация, например о качестве сырья, характеризующаяся такими показателями X (t), как, например, масса, влажность, температура, крупность, скважистость, концентрация и т. п., изменяющимися, как правило, во времени t.

Рис. 12.5. Структурная схема ручной системы управления:

/—объект управления; 2—измерительные приборы; J—оператор; 4 — регулирующий орган; показатели технологического процесса: Дг) — входные; ДО — выходные; Х_ш0) — возмущающие; ДО — измеряемые; Ео (0 — решение оператора; ДО — регулирующее воздействие Вместе с тем имеется информация X_b(f)> которая определяет возмущающие, противодействующие ходу нормального технологического процесса показатели, например загрязненность сырья или его засоренность. К возмущающим воздействиям можно отнести также и отклонения от нормального хода процесса, вызванные внешними причинами — сменой качества ингредиентов продукта, изменением рецептуры и т. п.

Объект управления 1 имеет регулятор 4 для изменения входных показателей Д/), 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, например производительностью выработки яблочного сока, содержанием в нем витаминов, его цветом, и т. п. К выходным показателям относят также и условия протекания процесса — температуру, влажность, длительность.

Показатели процесса Y (t) контролируют прибором 2. Контроль может осуществляться в химической лаборатории или с использованием данных экономического анализа. В результате человекоператор 3 располагает текущей оперативной информацией ДО о ходе протекания технологического процесса.

Регулирующий орган 4 подает на объект управления 1 необходимое число компонентов для осуществления технологического процесса. Это может быть количество и концентрация ингредиентов для готового продукта, количество теплоты или холода, качество сырья и т. п. 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, анализируя выходную информацию /(/), входные X (t) и возмущающие X_B(t) воздействия (информацию) и на основании инструкций о необходимом режиме протекания технологического процесса, принимает решение о необходимых параметрах работы объекта E₀(t) — дает команду Z (t) на открытие соответствующих заслонок, приводов, увеличивает или отключает подачу теплоты, холода и т. п.

Оператор — человек, который обладает большими аналитическими возможностями обобщения информации и принятия решений. Однако для этого необходим большой объем знаний и опыт работы.

Квалификация оператора не всегда бывает достаточной. В некоторых случаях, например при авариях, человек действует неоперативно, медленно. Такие человеческие качества, как ограниченная память, неспособность большинства людей быстро считать, боязнь принятия ответственного решения (как бы чего плохого не вышло), неточное выполнение инструкций (и так сойдет) и другие, все больше ограничивают в современном производстве роль операторов. Происходит замена их автоматическими устройствами управления.

При автоматическом управлении объект управления и регулятор дополняются устройствами автоматического управления.

Система автоматического управления состоит из отдельных узлов — элементов, соединенных друг с другом определенным 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.

В случае, если задача управления — стабилизация выходных показателей, процесс управления называют регулированием, объект управления — объектом регулирования, управляющие устройства — автоматическими регуляторами, а системы автоматического управления — системами автоматического регулирования.

Структурная схема САУ приведена на рис. 12.6. Она включает в себя два элемента — объект управления ОУ и устройство управления УУ. В схему УУвходят: датчики показателей технологического процесса 2, задающее устройство 3, хранящее нормативные показатели технологического процесса, сравнивающее устройство 4, на вход которого подаются заданные показатели и действительные показатели технологического процесса, а на выходе e (t)= У_Ъ{Т) — Y (t) — результат сравнения заданных и действительных условий технологического процесса; собственно схема управления 5, выдающее решение E (t), а также исполнительное устройство 6, преобразующее сигналы схемы управления 5 в конкретные управляющие воздействия для регулирующего органа 7, который изменяет воздействие на входе объекта управления.

Рабочие органы изменяют показатель технологического процесса Y (t) до тех пор, пока последний не сравняется с заданным Y₃(f) и на выходе сравнивающего устройства 3 не появится сигнал.

Рис. 12.6. Структурная схема автоматической системы управления:

/ — 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. — входные показатели (воздействия), X_M(f) — входные возмущающие воздействия, Y[i) — выходные показатели, E₀(t) — решение управляющего устройства, ДО — исполнение решения, ДО — регулирующее воздействие, Y^t) — заданные условия протекания технологического процесса, е (0 «Х,(0 — ДО — результат сравнения рассогласования е (/), равный нулю (или близкий к нему) — САУ достигла цели управления.

Автоматическая система управления работает следующим образом. В задающем устройстве 3 заданы необходимые параметры протекания технологического процесса — температура, влажность, продолжительность каждой операции и т. д. В начале работы известны входные показатели процесса X (t) и возмущающие воздействия X_b(t). Если технологический процесс не отлажен, то значение показателя Y (t) отличается от заданного У₃(/), поэтому на выходе задающего устройства 3 сигнал e (t) отличается от нуля. Этот сигнал подается 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 выдает управляющее воздействие E₀(t) в виде набора сигналов на входы исполнительного устройства 6, которое в каждый момент времени преобразует управляющие сигналы в мощный сигнал ?(/), включающий рабочий орган 7, например электродвигатель сырьевого транспортера или нагревательное устройство, которые и изменяют входные параметры Z (t) подают дополнительную массу сырья или повышают температуру.

Тогда схема управления 5 изменяет управляющее воздействие: либо снижает уровень сигнала на исполнительное устройство 6 либо отменяет его совсем, таким образом, что рабочий орган 7изменяет Z (t) — снижает скорость подачи транспортером продукта или отключает нагревательное устройство.

Такое состояние САУ будет сохраняться до тех пор, пока не изменятся входные показатели технологического процесса X (t) или внешние возмущающие воздействия X_B{t). Тогда вновь появится сигнал рассогласования e{t), отличный от нуля, и схема управления 5 изменит свое управляющее воздействие и т. д.

Современные САУ включают в свой состав компьютер для переработки информации, поступающей от ОУ.

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 жестко организованную через цепочку элементов связь выходного сигнала системы с входным, при которой отклонение выходного сигнала системы, т. е. объекта, вызывает соответствующее изменение входного сигнала объекты.

Различают отрицательную и положительную обратную связь.

Отрицательная обратная связь — это такая связь выходного сигнала системы с входным, при которой отклонение выходного сигнала одного знака вызывает изменение входного сигнала противоположного знака. Например, увеличение температуры выше заданной требует уменьшения подачи топлива.

Положительная обратная связь — это такая связь выходного сигнала системы с входным, при которой отклонение выходного сигнала одного знака вызывает изменение входного сигнала того же знака. В промышленных САУ регулятор всегда включен в отрицательную обратную связь. Положительная обратная связь часто используется в электронике для повышения коэффициента усиления схем.

Системы автоматического управления можно классифицировать по различным признакам.

I. Классификация САУ по принципу действия.

САУ по отклонению;

САУ по возмущению;

комбинированная САУ. В этой системе объединены принципы по отклонению и по возмущению. Структурная схема САУ по отклонению изображена на рис. 12.7.

Ее схема совпадает с изображенной на рис. 10.6. типовой промышленной САУ.

На выходе объекта управления сигнал Y (t) зависит от входного сигнала X_bx(t) и выхода регулятора р. Выход регулятора определяется «заданием», т. е. необходимой величиной У (/), которая должна поддерживаться на выходе объекта. Сигнал рассогласования, А = X_BX(t) — р подается на объект для управления выходом Y (t).

Рис. 12.7. САУ по отклонению.

Рис. 12.8. САУ по возмущению.

Достоинством САУ по отклонению является то, что система компенсирует влияние любого возмущающего воздействия, которое вызвало отклонение величины выходного сигнала системы, путем изменения через цепь отрицательной обратной связи («регулятор») значения входного сигнала.

Недостаток САУ по отклонению состоит в том, что отклонение выходного сигнала (а это нарушение технологического режима, например температуры варки сырья) в принципе должно первоначально появиться, только после этого регулятор может компенсировать не только возмущающее воздействие, но и свести к нулю отклонение от заданного значения регулируемого параметра — выходного сигнала системы. Это приводит к некоторым колебаниям системы в течение определенного времени, пока процесс регулирования не завершится. За счет высокочувствительного датчика это отклонение может быть минимальным, но в принципе оно будет иметь место.

САУ по возмущению приведена на рис. 12.8.

Иногда возмущающее воздействие X (например, изменение температуры наружного воздуха или изменение влажности сырья) можно измерить. Если это единственное возмущающее воздействие на объект, то величину этого возмущающего воздействия измеряют, подают на регулятор, который в соответствии с «заданием» вырабатывает управляющий сигнал р, изменяя величину рассогласования, А = X_BX(t) — р, подаваемого на вход объекта.

II. Классификация САУ по закону изменения во времени выходного сигнала задатчика: автоматической стабилизации; программные и следящие.

САУ автоматической стабилизации. Отличительным признаком систем этого типа является постоянная во времени величина выходного сигнала задатчика. Современные технологии — это технологии непрерывного производства, когда заданный технологический режим может не меняться сутками и месяцами. К таким системам можно отнести САУ, поддерживающие постоянную температуру в камере хранения фруктов.

САУ программные. Отличительный признак этих систем — выходной сигнал задатчика изменяется по заранее известной функции времени (программе). Управление периодическими процессами (освещение птичника или теплицы) осуществляется программ-; ными САУ. Способ задания программы может быть различный: от механического вращающегося кулачка до программы, записанной в компьютер.

Следящие САУ. В следящих САУ выходной сигнал задатчика заранее неизвестен, он может быть случайной величиной. Такое положение наступает тогда, когда следящая система является вторичной и сопровождает параметр, значение которого заранее неизвестно, например подача в топку котла воздуха в определенном соотношении с подачей газа. Расход газа меняется случайным образом под влиянием возмущающих воздействий на котел. Но система управления расходом воздуха должна выдерживать определенное соотношение — «следить» за изменением расхода газа, который является для нее заданием.

III. Классификация САУ по закону изменения во времени выходного сигнала регулятора системы автоматического управления можно классифицировать:

на САУ дискретные (двух-, трехпозиционные, релейные);

САУ непрерывные (аналоговые);

САУ дискретные (двухпозиционные).

Выходной сигнал регулятора в двухпозиционной САУ принимает два резко отличающихся друг от друга значения: 0 или 1 — включено или отключено; контакт замкнут или разомкнут.

Примером двухпозиционной системы может служить холодильная машина с управлением от термореле. Термореле имеет на своем выходе 1, если температура в камере ниже допустимой, и О —- выше или равную допустимой.

На рис. 12.9 приведен временной график работы такой двухпозиционной САУ. При отключенном циркуляционном насосе хладагента температура X_B(t) в камере холодильника постепенно повышается. После достижения определенного значения (6^вС) включается термореле, которое своим контактом (Y (t) — сигнал выхода термореле) включает насос. В результате циркуляции хладагента температура в холодильнике снижается (2 °С), термореле размыкает контакт цепи насоса, и цикл повторяется.

Двухпозиционные САУ надежны, дешевы, но точность регулирования параметра в данном случае температуры мала.

Реже применяются трехпозиционные САУ, у которых выходной сигнал регулятора может принимать три значения: —1; 0; +1 или «больше» — «норма» — «меньше». Непрерывные САУ постоянно отслеживают входной и постоянно корректируют выходной сигналы.

IV. По количеству регулируемых параметров САР в зависимости от числа регулируемых величин подразделяются на однои многомерные.

Рис. 12.9. Временной график работы двухпозиционной САУ:

X_t(0 — температура в холодильнике; Y[f) регулятора — сигнал выхода термореле; /—время.

Одномерными называются системы с одной регулируемой величиной Y (t).

Многомерными называются системы с несколькими регулируемыми величинами. Их используют для управления многомерными объектами регулирования, нормальное функционирование которых требует изменения по заданному закону не менее двух физических величин.

V. По самоприспособляемости к изменению внешних условий различают САР адаптивные и неадаптивные.

Адаптивные (самообучающиеся, обучение без учителя) САР способны улучшать свою работу по мере накопления опыта — изменять свои параметры, исходя из изменяющихся внешних условий и цели работы.

Неадаптивные (обучение с учителем) САР — такие, у которых настройка параметров постоянна. При изменении условий работы их настройку необходимо изменить, чтобы сохранить заданное качество управления (например, точность, быстродействие). Эту перенастройку должен выполнить человек — учитель.

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 нее возмущающего воздействия будет расходящийся, а работа САУ — неустойчивой (рис. 12.10, а). Отклонение выходной величины.

увеличивается с течением времени, i = 1,2,3…; Л" , — заданная величина.

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 Д" противоположное по знаку и большей амплитуды (рис. 12.10, б). График процесса регулирования в такой САУ также будет расходящийся (расходится с заданием), а работа САУ — неустойчивой.

Рис. 12.10. 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 необходимой мощности.

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 (рис. 12.10, в).

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 астатических САУ конечное и исходное равновесие совпадает с заданием, поэтому в этих САУ динамическая ошибка равна максимальному отклонению параметра в процессе регулирования.

В статической системе в установившемся состоянии — через достаточно долгое время после начала регулирования всегда имеется статическая ошибка регулирования.

Динамическая ошибка — 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.