Управление техническими системами

 

УПРАВЛЕНИЕ  ТЕХНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ

2. Основные понятия и определения

 

Система есть совокупность объектов или элементов, связанных какими-либо формами взаимодействия и взаимозависимости и образующих целостное единство. Объекты (элементы) могут быть абстрактными или иметь конкретное материальное воплощение. Если объекты (элементы) являются машинами, аппаратами или другими техническими устройствами, то их совокупность называют технической системой. Примерами технических систем являются: движущиеся объекты (транспорт), объекты энергетики (электрические генераторы, парогенераторы), объекты машиностроения и металлургии (станки, прокатные станы), технологические объекты (технологические процессы и аппараты различных отраслей промышленности).

Требуемое состояние  системы и перевод системы  из одного состояния в другое обеспечивается управлением, которое является комплексом действий, направленных на достижение определенной цели.

Цель управления формируют специалисты той области техники, к которой относится система. Например, управление технологическими объектами осуществляется с целью поддержания параметров технологического процесса или их изменения по заданному алгоритму. Управляемая система называется объектом управления.

Система управления – это совокупность объекта управления (технической системы), технических средств контроля и управления, и оперативного персонала, выполняющего задачу управления.

В зависимости от уровня сложности можно выделить следующие способы управления:

1. Ручное местное управление – осуществляется человеком непосредственно на месте управляемого оборудования, иногда с местных щитов управления.
2. Ручное дистанционное управление – осуществляется человеком на значительном расстоянии от управляемого оборудования с пультов и щитов управления, размещенных в операторских или диспетчерских пунктах.
3. Автоматизированное управление – осуществляется человеком и комплексом технических средств. Последний получает информацию об объекте, преобразует и обрабатывает ее, формирует управляющие команды и выполняет их на объекте управления. Человек осуществляет основные командные операции – пуск, останов, изменение режима работы оборудования, определяет цели и критерии управления.
4. Автоматическое управление – все операции управления и контроля осуществляются комплексом технических средств без участия человека.

Разновидностью управления является регулирование. Регулирование состоит в том, что система подвергается таким воздействиям, благодаря которым, несмотря на внешние возмущения, величины, характеризующие состояние системы, сохраняют значения в заданных пределах или изменяются по заданным законам.

Примером регулирования  может служить достаточно простой  процесс поддержания уровня жидкости в баке 1 (рис.1). При изменении открытия задвижки 2 (внешнее возмущение) увеличивается или уменьшается расход жидкости, вытекающей из бака. Вследствие этого в баке начинает уменьшаться или подниматься уровень жидкости, для поддержания которого в допустимых пределах необходимо соответствующим образом изменить открытие задвижки 3. В рассматриваемом случае открытие задвижки изменяет человек-оператор, наблюдающий за уровнем жидкости в баке. Регулирование с участием человека является ручным.

Рисунок 1 Ручное регулирование уровня жидкости в баке

Для осуществления автоматического регулирования уровня в баке человек-оператор заменяется регулятором Р (рис.2), поплавок которого, поднимаясь или опускаясь вместе с жидкостью в баке, управляет открытием задвижки.

Рисунок 2 Автоматическое регулирование уровня жидкости в баке

 

Изучение технических  систем с автоматическим управлением, сбор и анализ информации о свойствах технических объектов (машин, аппаратов, станков), построение на основе результатов этих исследований законов (алгоритмов) регулирования и управления являются предметом технической кибернетики, которая представляет собой часть общей науки об управлении – кибернетики. Принципы автоматического регулирования различных процессов, методы исследования, расчета и проектирования устройств, обеспечивающих автоматическое регулирование, составляют содержание теории автоматического регулирования (ТАР). Эта теория входит в основу теории автоматического управления (ТАУ) – дисциплины, в которой рассматривается более широкий круг научных и прикладных задач управления техническими системами.

2. Параметры объекта управления

 

Для создания эффективной системы управления необходимо в первую очередь провести анализ технической системы как объекта управления (ОУ) и охарактеризовать его параметры.

Несмотря на многообразие параметров ОУ, все они разделяются  на две группы: входные и выходные.

y(t) - выходные параметры, подлежащие управлению (управляемые). По y(t) оценивают эффективность работы объекта и качество производимого продукта. В качестве выходных параметров обычно выступают физико-химические переменные, характеризующие состояние или поведение объекта. Например, это показатели продукта внутри и на выходе аппарата, такие как температура, концентрация определенных веществ, влажность, кислотность, плотность и т.д.

x(t) - это параметры, характеризующие входные материальные и энергетические потоки, то есть их качественные и количественные показатели. Например, расход продукта на входе в аппарат является количественным показателем материального потока, давление и расход теплоносителя на входе в аппарат - показатели энергетических потоков.

3. Входные воздействия

Изменения значений входных  параметров называются входными воздействиями и обозначаются Dx(t). Входные воздействия вызывают изменение выходных параметров. В зависимости от вызываемых изменений они делятся на две группы: возмущающие и управляющие.

Dz(t) — возмущающие воздействия, нарушающие нормальный режим работы объекта. Многие возмущающие воздействия трудно заранее учесть, что значительно усложняет проведение процесса. К Dz(t) относятся:

• колебания физико-химических параметров входных потоков, например неравномерность подачи в аппарат сырья и теплоносителей, скачки напряжения в электросети;
• суточные и сезонные изменения окружающей среды, например температуры и влажности воздуха в производственных помещениях;
• внутренние возмущающие воздействия, возникающие в самом объекте управления, например загрязнение и коррозия стенок аппарата.

Возмущающие воздействия могут быть контролируемыми и неконтролируемыми. Контролируемые возмущающие воздействия можно измерять автоматически непосредственно на действующем ОУ, неконтролируемые – нельзя.

Du(t) - управляющие воздействия, при помощи которых поддерживают заданный технологический режим и устраняют отклонения от нормы выходных параметров, вызванных возмущающими воздействиями. Du(t) производят с помощью различных устройств, регулирующих материальные и энергетические потоки. Например, изменяя положение регулирующего клапана или заслонки на линии подачи теплоносителя в аппарат, поддерживают заданный температурный режим. Для регулирования потока электроэнергии используют реостаты, контактные и бесконтактные пускатели, разного рода переключатели.

4. Структурные схемы

 

Для единого графического изображения структуры системы  принято входящие в нее элементы обозначать прямоугольниками, в поле которых указывается назначение элемента или его математическое описание, а связи между элементами показывают стрелками. Такие схемы называют структурными.

В теории автоматического  управления под структурной схемой понимается графическое изображение математического описания. То есть для составления структурной схемы система дробится на элементы, каждый из которых описывается простейшим математическим выражением (в виде передаточной функции). Структурные схемы содержат следующие четыре типа элементов: звенья направленного действия; устройства сравнения, или сумматоры; линии связи; точки разветвления (узлы).

Звенья направленного действия изображаются прямоугольниками, внутри которых записываются их передаточные функции.

Между собой звенья соединяются  с помощью линий связи. На этих линиях стрелками указывается направление распространения сигналов. Следует подчеркнуть, что в направлениях, противоположных указанным стрелками, сигналы не распространяются. Сами линии связи, также как и сумматоры, считаются идеальными, то есть никакими параметрами не обладают.

Сумматоры предназначены для суммирования сигналов (с учетом знака сигнала), как и на функциональных схемах.

Для распределения сигналов по различным  направлениям используются узлы, которые  обозначаются точками в местах пересечения  линий связи.

 

 

Типовые соединения звеньев автоматики.

 

Любую систему или объект управления можно представить как совокупность элементарных звеньев автоматики, соединенных между собой последовательно, параллельно и посредством обратных связей. Вид передаточной функции объекта зависит от типа соединения.

 

Последовательное  соединение.

W_о(p) = W₁(p)^.W₂(p)^. … W_n(p)

При последовательном соединении звеньев их передаточные функции перемножаются.

 

2) Параллельное  соединение.

 W_о(p)  = W₁ (p) + W₂ (p) + … W_n (p)

При параллельном соединении звеньев их передаточные функции складываются.

 

 

 

3) Обратная связь. В зависмости от знака сигнала обратной связи, ее делят на положительную и отрицательную.

 

«+» соответствует  отрицательной ОС,

«-» - положительной.

При отрицательной ОС сегмент элемента сравнения, в который направлен сигнал ОС зачерняется:

Если в линии ОС ПФ , то есть сигнал никак не преобразуется, то такой тип ОС называется жесткой. Во всех остальных случаях связь называется гибкой.

2. Построение параметрической схемы объекта управления (ОУ).

В теории управления объект рассматривают как преобразователь  входных параметров в выходные. Параметрическая схему ОУ показывает связь между входными и выходными параметрами.

Рисунок 1 Параметрическая схема ОУ

Связь между Du(t)и Dy(t) называется каналом управления, а между Dz(t) и Dy(t) – каналом возмущения.

Процесс изменения параметра  во времени называется сигналом. ОУ является преобразователем входного сигнала в выходной, что и отображает параметрическая схема.

 

Пример параметризации ТОУ.

Оборудование: теплообменник.

Процесс: исходное сырье  нагревается паром.

Протекание теплообменного процесса зависит от расходов  и  начальных температур теплоносителя  и продукта, и коэффициента теплопередачи.

Параметры процесса:

управляемый y(t) - Твых(t)

входные x(t) – параметры теплоносителя (давление, расход, температура пара);

- параметры  нагреваемого  сырья (расход, температура);

- параметры аппарата (коэффициент теплопередачи, который  может изменяться по мере загрязнения греющей поверхности аппарата);

- параметры окружающей  среды (температура воздуха в  помещении ).

К входным возмущающим воздействиям относятся колебания параметров входных потоков .

DZ_k(t) - DР пара, DТ пара; DТ, DF исх. сырья, DТ окр. среды.

DZ_н(t) - Dk, .

Управляющее воздействие U(t) – процент хода клапана на линии подачи греющего пара.

 

3. Математическое описание систем управления

 

Основными задачами теории управления является анализ и синтез систем управления. Их решение на реальном объекте дорого, опасно и не всегда осуществимо. Кроме того реальный объект часто проектируется совместно с системой управления. Поэтому задачи анализа и синтеза решают с помощью математического моделирования с привлечением математического аппарата ТАУ.

ММ – это формальное описание системы с помощью математических соотношений (уравнений, неравенств, логических выражений, множеств).

Если систему управления рассматривать как преобразователь входных сигналов в выходные, то ее свойства математически описываются системным оператором. Пусть Y и X – множества входных сигналов системы. Если каждому элементу ставится в соответствие определенный элемент , то говорят, что задан системный оператор А. Связь между входом и выходом системы посредством системного оператора задается как:

- операторное уравнение. Как правило, САУ описывают дифференциальными уравнениями, то есть оператор дифференцирования.

В зависимости от того, какими классами ДУ описывают САУ, их можно классифицировать следующим образом.

Линейными называют класс систем, описываемый линейными операторными уравнениями (например, линейными дифференциальными уравнениями или их системами). в противном случае система входит в класс нелинейных систем.

Дискретными системами называются такие системы, которые описываются соответственно линейными или нелинейными разностными уравнениями или системами разностных уравнений.

Стационарными системами называются системы, которые описываются дифференциальными уравнениями или системами уравнений с постоянными коэффициентами.