Управление техническими системами

Световые сигналы подают с помощью электроламп, звуковые – с помощью звонков, сирен и гудков, возможно голосовое оповещение. Звуковой сигнал оповещает о факте наступления события и является общим для всех световых сигналов, а световой указывает конкретное место и характер этого события.

Звуковой сигнал выключается оператором, а световой остается включенным до устранения причины его возникновения. Существуют схемы сигнализации с повторностью и без повторности действия звукового сигнала. Первые применяют, когда появление хотя бы одного из сигналов вызывает остановку всей системы. Вторые  - когда возможно последовательное

По назначению сигнализация делится на рабочую, предупредительную и аварийную.

Предупредительная: предназначена для оповещения обслуживающего персонала о нарушениях технологического режима, которые могут привести к аварии, либо ухудшению качества и порче продукта.

Аварийная: оповещает о недопустимых значениях параметров процесса или об аварийном отключении какого-либо аппарата технологической схемы. Аварийные сигналы подаются мигающим светом, звуками резкого тона (гудки, сирены), так как необходимо немедленное вмешательство оперативного персонала.

Система автоматической защиты и блокировки (САЗ и Б).

 

САЗ – обеспечивают автоматическое включение или выключение потоков каких-либо веществ или электроэнергии для оперативного предотвращения аварийных ситуаций: разрушения оборудования, порчи продукции или травмирования персонала. Как правило, САЗ срабатывают одновременно с системами аварийной сигнализации.

Самое простое устройство автоматической защиты (A3): предохранительный клапан, установленный на сосудах, работающих под давлением. При достижении давлением опасного значения клапан открывается и сбрасывает газ в атмосферу или специальную линию.

Системы автоматической блокировки служат для предотвращения неправильной последовательности включений и отключений механизмов, машин и аппаратов.

Например: в аппаратах с мешалками запуск электродвигателя мешалки блокируется при открытой крышке аппарата, чтобы избежать выплескивания жидкости. При полном закрытии крышка воздействует на конечный выключатель, разрешающий пуск мешалки.

 

3. Системы автоматического пуска и останова оборудования

 

Производят запуск в  действие или остановка технологического оборудования по сигналу из пункта управления. При этом обеспечивается правильная последовательность операций и координация их между собой.

 

4. Системы программного и логического управления.

 

Системы программного и логического управления служат для управления объектами периодического или непрерывно-периодического действия.

Периодические процессы относятся к дискретным процессам, то есть таким, во время которых состояние  управляемого объекта изменяется скачкообразно.

Периодические процессы можно разделить на две группы:

1. продолжительность и последовательность технологических операций заранее известна;
2. определяется в ходе процесса.

Системы программного управления управляют процессами первой группы, обеспечивая последовательность выполнения технологических операций по жестко заданной временной программе.

Системы логического управления управляют процессами второй группы, исходя из текущей ситуации, возникающей в ходе технологического процесса. В результате анализа ситуации выбирается оптимальная стратегия управления, которая реализуется в виде логического алгоритма, использующего аппарат алгебры логики.

Примечание: логические системы управления могут применяться также при пуске и остановке аппаратов непрерывного действия и при защите и блокировке.

Функции логического  управления выполняют различные  релейно-контактные устройства (электронные, электромеханичекие, пневматические).

5. Системы автоматического регулирования.

 

Система автоматического  регулирования (САР) непрерывно поддерживает постоянное значение регулируемого  технологического параметра или  изменяет его по заданному алгоритму. САР классифицируются по нескольким признакам.

2. Классификация САР по принципу управления

 

По принципу управления САР можно разбить на три группы:

1. САР с замкнутым контуром – осуществляют регулирование по отклонению - принцип Ползунова-Уатта.
2. САР с разомкнутым контуром - осуществляют регулирование по возмущению - принцип Понселе.
3. Комбинированные САР. В этом случае САР содержит замкнутый и разомкнутый контуры регулирования.

 

1. САР с замкнутым контуром

 

Рисунок 2 Структура САР с замкнутым контуром: ИП - измерительный преобразователь; ЗУ - задающее устройство; СУ - суммирующее устройство; Р –регулятор; ИМ – исполнительный механизм; РО - регулирующий орган; ИУ – исполнительное устройство

САР с замкнутым контуром получили наибольшее распространение. Такая САР (см. рис.) функционирует следующим образом.

Измерительный преобразователь (ИП) измеряет величину регулируемого параметра X_вых(t). В задающем устройстве (ЗУ) устанавливают заданные значения параметра Х_здн. Сигналы от ЗУ и ИП поступают на суммирующее устройство (СУ), которое выполняет операцию: e(t)= X_вых(t)- Х_здн. e(t) называют сигналом рассогласования. Если e(t)=0, то технологический параметр X_вых(t) соответствует норме и регулятор остается в покое. Если e(t)≠0, значит технологический параметр отклоняется от нормы. В этом случае регулятор (Р) начинает вырабатывать регулирующее воздействие X_р(t) в зависимости от величины и знака сигнала рассогласования e(t), т.е.:

X_р(t) =f(e(t))

Данная зависимость  называется законом регулирования. Регулирующее воздействие поступает на исполнительный механизм (ИМ) - это механизм, который развивает перестановочное усилие, вызывающее перемещение регулирующего органа (РО). При изменении положения (РО) изменяется расход вещества или энергии, поступающих на ТОУ, т.е. изменяется величина X_вх(t) . Таким образом перемещение РО создает управляющее воздействие U(t). Совокупность РО и ИМ называется исполнительным устройством (ИУ). Управляющее воздействие вызывает изменение X_вых(t) до тех пор, пока он не примет заданное значение.

В качестве примера рассмотрим САР температуры.

Недостатком САР с замкнутым  контуром является необходимость появления  рассогласования для ее функционирования, поскольку основная задача САР состоит  в том, чтобы рассогласований не допускать. Однако регулирующее воздействие в них осуществляется независимо от числа, вида и места появления возмущающих воздействий, что является достоинством данного типа САР, которое и обеспечило их преимущественное распространение.

 

Структурные схемы (блок-схемы) замкнутых САР.

Для расчетных целей исходную схему  приводят к простейшему виду: Р - регулятор, ОУ - объект управления. Здесь  под объектом управления уже понимается неизменяемая часть системы, состоящая  из преобразователей сигналов, исполнительного механизма, регулирующего органа, собственно объекта управления и датчика.

2. САР с разомкнутым контуром

Регулирование по возмущению осуществляет динамический компенсатор ДК.

Возмущающее воздействие  ∆Z(t) измеряется ИП и передается на ДК, который формирует компенсирующее воздействие ∆Xк(t). Это воздействие через ИМ передается на РО. Перемещение РО создает управляющее воздействие ∆U(t), в результате которого отклонения от нормы выходного параметра не произойдет.

В рассматриваемой САР можно выделить канал компенсируемого возмущения ∆Z(t)→ ∆Y(t) и канал управления ∆U(t)→ ∆Y(t). Поскольку сигнал ∆Z(t) измеряется и через динамический компенсатор передается на канал управления, то в системе можно выделить компенсирующий канал ∆Z(t)→ ∆Xк(t) →∆U(t)→∆Y(t).

При появлении возмущающего воздействия ∆Z(t) сигнал на выходе будет равен:

∆Yв(t)= ∆Z(t) ·Wв(S)

Однако в это же время сигнал ∆Z(t) через динамический компенсатор передается по каналу ∆Z(t)→ ∆Xк(t) →∆U(t)→∆Y(t), на выходе которого будет формироваться сигнал:

∆Yк(t)= ∆Z(t)·Wк(S)·Wo(S)

Таким образом выходной сигнал ∆Y(t) представляет собой сумму:

∆Y(t)= ∆Yв(t)+∆Yк(t)= ∆Z(t) ·Wв(S)+∆Z(t)·Wк(S)·Wo(S)

При полной компенсации  возмущения отклонение ∆Y(t) будет равно нулю, то есть ∆Yв(t)+∆Yк(t)=0, следовательно, ∆Yк(t)= -∆Yв(t). Определим передаточную функцию динамического компенсатора, которая обеспечит выполнение этого условия: ∆Z(t)·Wк(S)·Wo(S)= -∆Z(t)·Wв(S), откуда

Wк(S)·=-Wв(S)/ Wo(S)

В системах, действующих по возмущению, реализован принцип инвариантности: при любых возмущающих воздействиях отклонение выходного параметра системы должно быть тождественно равно нулю. Возмущающее воздействие нейтрализуется еще до отклонения от нормы Y(t), что является их достоинством. К недостаткам относится невозможность компенсации всех возмущающих воздействий.

 

3. Комбинированные САР

Сочетают оба принципа управления – по отклонению и возмущению. В них наибольшее возмущающее  воздействие нейтрализуется динамическим компенсатором, а влияние остальных возмущений устраняется в замкнутом контуре регулирования. Сигналы, поступающие от регулятора и динамического компенсатора, суммируются, и результирующий сигнал передается на ИУ.

 

3. Классификация САР по назначению

 

В зависимости от назначения выделяют следующие САР.

1. Системы автоматической стабилизации.

Они предназначены для  поддержания постоянного заданного  значения регулируемого параметра, то есть X_вых(t)=const. Это наиболее распространенные системы.

2. Системы программного управления.

Они изменяют значение X_вых(t) по заданной программе, которая устанавливается в программном задатчике. Например, при производстве пива процесс приготовления затора в заторном котле состоит из нескольких стадий, причем на каждой из них поддерживается определенный температурный режим. Поэтому заданное значение температуры должно изменяться по временной программе.

3. Следящие системы.

Они служат для регулирования  параметра, находящегося в зависимости от другого технологического параметра. Зависимый параметр называется ведомым, независимый – ведомым. Таким образом, заданное значение регулируемого параметра является функцией ведущего параметра. Разновидностью следящих систем является система регулирования соотношения, например соотношения расходов. Такая система применяется, если необходимо обеспечить подачу двух веществ в заданном соотношении. Расход одного вещества F1 назначается ведущим и может меняться произвольно; расход второго вещества F2 регулируется в зависимости от значения F1, причем заданное значение F2=k F1, где k – заданное соотношение F2/F1.

4. Классификация САР по характеру изменения регулирующего воздействия

 

Различают следующие  САР:

• Непрерывные.
• Позиционные;
• Импульсные.

В непрерывных САР регулятор вырабатывает регулирующее воздействие непрерывно в соответствии с одним из типовых законов регулирования. Поэтому РО может принимать любое положение в заданном диапазоне.

В позиционных САР выходное воздействие регулятора может принимать только два или три значения, и соответственно, РО принимает только два или три положения. В двухпозиционных САР регулирующий орган работает по принципу «включено-выключено» или «открыто-закрыто». В трехпозиционных САР регулирующий орган дополнительно принимает третье, промежуточное положение.

В импульсных САР регулирующее воздействие представляет собой последовательность импульсов.

5. Переходные процессы и требования к качеству регулирования в непрерывных САР

 

По графику переходного  процесса оценивается эффективность действия САР. Критерии эффективности САР называются качественные показатели регулирования. При проектировании САР необходимо, чтобы технолог предварительно задал допустимые значения этих показателей.

Допустимая статическая  ошибка - это максимально допускаемое отклонение регулируемого технологического параметра от заданного значения в статическом режиме, то есть изменение в пределах допускается технологическим регламентом.

Допустимое время регулирования - максимально допускаемое время от момента возникновения возмущающего воздействия до момента, с которого значение технологического параметра снова будет находиться в заданных пределах .