Этапы развития систем управления.

0. Функции управления осуществлялись оператором путем воздействия на тепловые и материальные потоки. На основе знаний процесса и информации, которую он получал с помощью своих органов чувств.

1. Связан с появлением средств контроля и регистрации, которые позволили повысить точность работы оператора, что привело к улучшению качества регулирования. Но при этом выработка решений и осуществление регулирующих воздействий осуществлялась оператором.

2. Введение автоматических регуляторов в цепь с ОС позволило освободить оператора от выработки решений по управлению. Появление локальных систем регулирования. Регулятор сравнивал текущий параметр с заданным и вырабатывал регулирующее воздействие в соответствии с заложенным оператором алгоритмом управления функция оператора заключалось в контроле качества регулирования и изменения параметров настройки регуляторов в случае необходимости. При увеличении числа регулируемых параметров простое увеличение локальных контуров не давало желаемого результата.

3. Создание централизованных систем управления в которых для обеспечения работы оператора вся информация выводилась на единый пункт. Также монтировалась основная часть регуляторов. При централизованной системе регулирования построение АСУ повышает требования предъявляемые к надежности технических средств. Кроме того, учитывая большие потоки информации, повышение требований к достоверности информации. Такие системы требовали слаженной работы отдельных элементов.

4. Использование вычислительной техники для обработки информации, а также для выработки управляющего воздействия. Появления систем программного цифрового управления и систем оптимального управления.

Развитие теории автоматического управления и технических средств привело к появлению автоматизированных систем управления техническими процессами (АСУТП). Они были предназначены для выработки и реализации управляющих воздействий на технический процесс в соответствии с принятым критерием оптимальности: минимизации отклонений от заданного, максимальной производительности установки и т.д. Следовательно, разновидностью АСУТП являются автоматизированные системы управления производством (АСУП). Эти системы помимо задач выполняемых АСУТП занимается сбором информации о затратах на производство, количестве готовой продукции и др.

Гибкие автоматизированные производства

ГАП (гибкие автоматизированные производства) ‑ представляют собой гибкую автоматизированную систему, состоящую из одного или нескольких гибких производственных комплексов (ГПК), объединенных автоматизированной системой управления производством и транспортно складской автоматизированной системой и осуществляющую автоматизированный переход на изготовление новых изделий при помощи САПР, АСНИ и АСУТП.

АСУП ‑ автоматизированная система управления предприятием, которая предназначена для определения объема и номенклатуры выпуска изделий в соответствии со спросом и директивными указаниями.

АСТПП ‑ автоматизированная система технологической подготовки производства, обеспечивающая разработку необходимой технологической документации, оснастки, инструмента, определения количества и видов вспомогательных материалов;

АСУ ТП ‑ автоматизированная система управления технологическим процессом, реализующая, выполнение режимов работы оборудования, координацию работы гибких производственных систем (ГПС), входящих в ГПК;

АСУК ‑ автоматизированная система управления качеством изделия на различных стадиях его изготовления, проведение испытаний и выработку рекомендаций, направленных на повышение качества изделий;

АСНИ ‑ автоматизированная система научных исследований, с помощью которой решаются вопросы повышения эффективности производства в целом, разработки, испытания и внедрения новых технологических процессов, организаций производства и т. д.;

САПР ‑ система автоматического проектирования изделий, позволяющая повысить производительность и качество труда инженеров разработчиков, сократить время, затрачиваемое на создание новых изделий;

МТО ‑ материально-техническое обеспечение, в задачи которой входит снабжение полуфабрикатами, комплектующими изделиями, оснасткой, инструментом удаление и регенерация отходов, что необходимо в любом производстве.

ГПС ‑ гибкая производственная система ‑ совокупность технологического оборудования и систем обеспечения его функционирования а автоматическом режиме, обладающая свойствами переналадки.

Структура ГАП

Продукты химической промышленности могут быть представлены следующими классами

1. продукты неорганической химии;

2. полимеры (синтетические каучуки, пластмассы и химические волокна);

3. лакокрасочные материалы и продукты;

4. синтетические красители и органические промежуточные продукты;

5. продукты органического синтеза (нефне-, коксо- и лесохимия)

6. химические реактивы и особо чистые химические вещества

7. медикаменты и химико-фармацевтическая продукция.

Условно по тоннажу продукции и структуре ее ассортимента все химические производства можно разделить на крупнотоннажные (от сотен до несколько тысяч тон в год), ориентированные на продукцию конкретной фиксированной номенклатуры, и малотоннажные(от граммов до десятков тон, выпускающие продукты разнообразной, обычно быстро изменяющей номенклатуры).

Наряду с объемом выпуска в качестве классификационного признака производства используются характер ассортимента, по которому выделяются многоассортиментные (многопродуктовые), многономенклатурные производства.

В крупнотоннажном производствах (серной кислоты, аммиака, минеральных удобрений, продуктов основного органического синтеза и др.) ассортимент продукции и ее тоннаж, как правило, фиксированы, а технологические системы ориентированы на единственный продукт и функционируют преимущественно в непрерывных режимах.

Малототажные, многоассортиментные производства характеризуются следующими признаками:

0. обширные ассортимент продукции непостоянной номенклатуры;

1. многообразие видов перерабатываемого сырья, в том числе уникального;

2. возможность получения одного и того же продукта из сырья различных видов;

3. сложность и многостадийность схем химического синтеза и выделение целевых продуктов;

4. возможность получения одного и того же продукта разными способами;

5. сложность технологической структуры производства;

6. множество связей по сырьевым и полупродуктовым продуктам;

Малотоннажные продукты называются также продуктами тонкого химического синтеза.

Построение ГАП ориентировано на производство лакокрасочных материалов, синтетических красителей и органических промежуточных продуктов, химических реактивов и особо чистых веществ, фото- и киноматериалов, товаров бытовой химии, изделий из пластмасс и композиционных материалов, а также пестицидов, синтетических лекарственных средств, синтетических душистых средств, стабилизаторов полимерных материалов и некоторых других классов химической продукции.

Для малотоннажных химических производств характерен обширный и непостоянный ассортимент продукции, который обновляется в результате освоения промышленностью новых перспективных видов. Обновление ассортимента обычно сопровождается улучшением качества продукции и расширением ее номенклатуры.

Разработка и освоение производства малотоннажных химических продуктов требует значительного времени от лабораторных исследований до включения в действующий ассортимент. Для разработки каждого нового синтетического лекарственного средства или пестицида в Японии затрачивается в среднем от 8 до 12 лет, в тоже время как в ассортименте удерживается в среднем от трех до пяти лет.

Из анализа ассортимента малотоннажной химической продукции ясно, что экономически не выгодно проектировать производство, ориентированные на конкретный продукт, и следует разрабатывать технологические схемы, обеспечивающие возможно более широкий набор аппаратурноподобных технологических процессов, что в немалой степени относится к средствам автоматизации.

32. Типы входных сигналов Особенности регулирования с переменными параметрами. Классификация объектов регулирования.

Одним из наиболее информативных сложных является ступенчатое воздействие на систему. Существуют и другие тестовые сигналы – синусоидальные, дельта или другие более сложные но менее распространенные возмущения. Если система удовлетворяет заданному качеству регулирования при одном тестовом сигнале, то критерий будет соблюдаться и при другом. Статическая ошибка нежелательна для любого контура регулирования. Она может иметь любой знак и не является характеристикой устойчивости объекта. Чаще всего считается, что процесс оптимален, если амплитуда колебания за период уменьшается в 4 раза.

Среднеквадратичная ошибка резко увеличивается при увеличении рассогласования.

Проектировщик системы регулирования должен отчетливо представлять себе ее назначения, так как система, работающая оптимально, в общем случае не обеспечивает оптимальной работы в режиме стабилизации. Известно, например, что большая емкость или инерция ухудшает работу системы в режиме слежения, а в режиме стабилизации часто способствует.

Работа в режиме слежения наиболее характерна для электрических и механических систем. Работа системы в режиме стабилизации наиболее характерна для задач автоматического регулирования производственных, и в частности, химических производств. Типичных непрерывный химический процесс обычно протекает при постоянном заданном значении, как, правило, взывают незначительно. В то же время изменения таких переменных, как нерегулируемые расходы, температуры или давления, происходят значительно чаще и вызывают значительно большие ошибки, чем изменение задания. Некоторые периодические процессы требуют непрерывного изменения температуры или какого-либо другого параметра по заданной программе. В этом случае при проектировании систем регулирования следует рассматривать ее работу в режиме слежения. Однако если заданное значение изменяется очень медленно и плавно, то ошибки, вызванные измене6ием нагрузки, могут оказаться такими же большими, как и ошибки, вызванные изменением заданного значения. При этом следует рассматривать систему регулирования в обоих режимах. Наиболее часто, встречаются на производстве и разбираются в литературе системы работающие в режиме стабилизации.

№2. При выборе типа (закона регулирования) и значений параметров настройки регуляторов для работы в САР следует исходя из требований обеспечения оптимальных условий протекания ТП в автоматизируемом объекте прежде всего сформулировать основные требования к качеству регулирования, т.е. определить основные показатели качества переходного процесса в САР, которые должен обеспечить автоматический регулятор при работе с конкретным объектом.

Термин "переходный процесс" может означать реакцию системы регулирования на любой тип входного сигнала, однако, как правило, в качестве входного сигнала принимается ступенчатое возмущение заданного значения или нагрузки. Ступенчатое возмущение в качестве входного сигнала применяется потому, что для него легче получить аналитическое выражение кривой переходного процесса, чем для какого-либо иного возмущения. Реакция системы на ступенчатое возмущение показывает, какая максимальная ошибка имеет место при данном произвольном изменении нагрузки. Ступенчатое являются, кроме того, одним из наиболее тяжелых видов возмущений. Если сравнивать несколько систем регулирования или работа системы регулирования с разными значениями параметров настройки на одном и том же объекте, то система или регулятор, которые наилучшим образом реагируют на ступенчатое изменение нагрузки, будут, как правило, наилучшим образом реагировать и на случайное изменение этого параметра (в тоже время встречаются в реальном производстве системы регулирования постоянно подверженные определенным возмущений, например коротко импульсным, волновым, для которых лучше использовать другие тестовые сигналы. Существуют специальные системы управления, анализирующие параметры возмущений и затем перестраивающие настройки регулятора). Что касается устойчивости, то не имеет значения, какая переменная изменяется и какая форма возмущения, так как замкнутая система, неустойчивая по отношению к какому-либо одному входному сигналу, будет неустойчивой по отношению к изменению любой переменной. Но это утверждение справедливо, если система достаточно линейна в исследуемом диапазоне.

Если требуется очень высокое качество работы системы, то следует определить реакцию системы на возмущающее воздействие с постоянной скоростью, на импульсное и синусоидальное воздействие или на возмущения иной формы; это исследование может оценить возможности системы регулирования. При работе системы в режиме слежения возможны типы изменения входных сигналов обычно известны, при работе же в режиме стабилизации характер флуктуаций нагрузки при проектировании систем регулирования трудно даже оценить. При отсутствии подобной информации оценка возможного поведения системы обычно базируется на реакции системы ее ступенчатое возмущение, а в некоторых случаях и на гармоническое возмущение.

Классификация объектов регулирования

Объект управления это динамическая система, параметры которой меняются под воздействием управляющих и возмущающих воздействий. Система является объектом управления (регулирования), когда имеет параметры, которые можно целенаправленно менять для достижения какого-то результата.

1. Регулируемые величины - это параметры, которые характеризуют состояния объекта.

2. Управляющее воздействие - это группа параметров изменение которых, оказывает целенаправленное влияние на объект.

3. Возмущающее воздействие - это переменные, изменение которых не связаны с воздействием системы на объект. Возмущающие воздействия отражают влияние внешних условий и изменений самого объекта. Источником возмущений является среда, как физическая, так и информационная. Возмущающие воздействия делятся на внешние и внутренние. Например, изменение параметров тепловых и материальных потоков подводимых к системе и т. д. Внутренними ‑ изменение свойств объекта с течением времени

Наиболее опасными являются чаще всего внешние возмущения, т.к. они носят случайный характер и могут изменятся ступенчатые характеристики. Внутренние возмущения в большинстве случаев могут быть достаточно точно определены, что позволяет вводить в систему дополнительные контура улучшающие качество регулирования.

Одним из существенных возмущений является изменение нагрузки. Под нагрузкой понимают количество вещества или энергии проходящее в единицу времени.

Объекты управления характеризуются различными признаками. Некоторые из них присущи в той или иной степени всем объектам, а некоторые характеристики индивидуальны и используются в качестве классификационных признаков

1. одномерные объекты (имеют один входной и выходной параметр);

2. многомерные объекты (имеют несколько контролируемых параметров);

3. Объекты сосредоточенными параметрами - это объекты имеющие одинаковы значения в данный момент по всему объекту (объекты в плоскости)

4. Объекты с рассредоточенными параметрами

Еще одна классификация ‑ уравнение описания объекта, объекты могут быть:

• одноемкостные;

• многоемкостные;

Общими для всех объектов является следующие признаки

• запаздывание;

• емкость;

• самовыравнивание;

Объекты бывают

• устойчивые

• неустойчивые

• нейтральные

Запаздывание ‑ выражает свойства системы, передавать сигнал со входа на выход не сразу, а через некоторый промежуток времени при этом характеристика сигнала не изменяется. Различают чистое запаздывание (транспортное) и емкостное (переходное). Чистое запаздывание встречается редко, его можно определить как отношение относительной длины объекта к скорости потока энергии или массы в объекте. Емкостное запаздывание присуще всем объектам.

Если падать на вход объекта синусоидальный сигнал, то на выходе при наличии запаздывания будем иметь

сдвиг фаз будет составлять - Незатухающие колебания в системе возникают когда сдвиг фаз равен 180, т.е. ,

где ₀ - период собственных колебаний системы, откуда при ₀=2 будут наблюдаться незатухающие колебания.

Так как запаздывание не изменяет форму и амплитуду сигнала то коэффициент передачи объекта будет равен 1.

Предел пропорциональности регулятора ‑ это диапазон шкалы, выраженных в процентах при изменении в пределах которого y (регулируема величина) исполнительного механизма  перемещается из одного крайнего положения в другое.

Емкость ‑ это свойство объекта накапливать (или сохранять) вещество или энергию. Она характеризует инерционность. От величины емкости зависит скорость изменения выходной величины при изменении входной. Количественно емкость описывается коэффициентом, связывающим входную величину со скоростью изменения выходной.