Раздел 2. Основы автоматизации в металлургии
2.1. Основные понятия автоматики
К основным общим понятиям относятся: управляемый объект, воздействие, управление, автоматическое управляющее устройство и автоматическая система [Более детально см. 3а].
Автоматическое управление широко проникло в самые различные области науки и техники, однако эти понятия являются для них общими. Указанные понятия используются независимо от конкретных особенностей, принципа действия и практического назначения тех или иных автоматических систем.
Развитие техники, сопровождающееся повышением скорости, быстротечностью управляемых процессов, точности и объективности управления, привело к тому, что для человека, даже специально подготовленного и натренированного, в ряде случаев стало непосильным выполнение функции управления. Возникла необходимость в создании таких машин, приборов или аппаратов, которые координировали бы работу машин - двигателей без участия человека, оставляя за ним только функции предопределения порядка их функционирования, наладки, регулировки и включения всей системы в действие, а в современных условиях - окончательный анализ результатов работы автоматов за какой-либо промежуток времени.
Такие приборы, аппараты и устройства совместно с управляемыми ими машинами и процессами стали называть автоматическими.
Как отмечает большинство авторов, для управления производственными и другими агрегатами в некоторых случаях невозможно заранее составить подробную программу их функционирования из-за большого влияния на нее внешних воздействий, характер которых заранее неизвестен. Поэтому возникла необходимость в создании таких интеллектуальных систем автоматического управления, которые сами устанавливали бы подробную программу управления, подчиняясь некоторым целевым критериям управления, заданным человеком. В ряде случаев возникла также необходимость замены человека специальными устройствами и машинами и в области наблюдения за правильностью работы самих автоматических управляющих устройств, их наладки, регулировки и определения в них неисправностей.
Распространение автоматизации на производственные объекты, расположенные на значительном расстоянии друг от друга, привело к включению в состав автоматических устройств средств телеизмерения и телемеханики, предназначенных для передачи управляющих воздействий между отдельными автоматическими устройствами.
Развитие техники автоматики способствовало все большему освобождению человека от функций непосредственного контроля и управления производственными и другими процессами. Этот признак был положен в основу определения понятий автоматики в большинстве имеющихся в литературе терминологий.
Любую совокупность машин, аппаратов и управляющих устройств, осуществляющих какой-либо технический процесс, можно в наиболее общем виде рассматривать как некоторую замкнутую техническую систему, взаимодействующую с внешней средой (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Схема взаимодействия технической системы и внешней среды
Внешняя среда оказывает на техническую систему воздействия, которые в общем случае могут носить как возмущающий, так и организующий характер. К возмущающим относятся случайные воздействия, оказываемые внешней средой, которые складываются из неучтенных, непредусмотренных факторов.
Объектами управления могут быть живые организмы (животные, растения), коллективы людей, производственные предприятия, заводы, цехи, отдельные станки, машины. В зависимости от объекта и задачи управления могут быть различными и системы управления - от самых простых систем автоматического регулирования, поддерживающих неизменной какую-либо величину (например, яркость освещения, напряжение, температуру или давление), до сложных, содержащих десятки вычислительных машин, решающих задачи оптимального управления множеством объектов, например, удовлетворяющих условиям минимальных затрат или получения максимальной выгоды.
Автоматическим регулированием называется поддержание постоянной некоторой заданной величины, характеризующей процесс, или изменение ее по заданному закону, осуществляемое при помощи измерения состояния объекта или действующих на него возмущений и воздействия на регулирующий орган объекта.
Управление охватывает больший круг задач. Под автоматическим управлением понимается автоматическое осуществление совокупности воздействий, выбранных из множества возможных на основании определенной информации и направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта в соответствии с целью управления.
Сравнивая определения управления и регулирования, можно заключить, что все задачи регулирования входят в состав задач управления как более простые случаи.
Кроме того, задачи автоматического управления охватывают такие вопросы, как адаптация, или самонастройка системы управления, в соответствии с изменением ее параметров или внешних воздействий, вопросы обеспечения оптимального функционирования системы управления при различных условиях, автоматический выбор наилучших режимов из нескольких возможных, не входящих в круг задач автоматического регулирования.
Теория автоматического управления включает теорию автоматического регулирования как основную и наиболее разработанную часть, а также более сложные задачи управления.
Как научная дисциплина теория автоматического управления переживает стадию формирования. Ряд вопросов, выходящих за пределы классической теории автоматического регулирования: теория построения математических моделей сложных производств, синтеза оптимальных сетевых коммуникационных систем управления базами данных и другие - еще находится в состоянии становления.
Система автоматического управления может быть представлена двумя основными частями: управляемым объектом (или сокращенно - объектом) и управляющим устройством.
В качестве объекта управления может рассматриваться как управляемое техническое устройство, так и более сложная система управления глобальной экономической и технологической средой. Во втором случае речь идет о некоторой иерархической системе управления, в которой более сложная система управления включает в себя управляемую ею более простую систему и подсистемы.
Объект управления может быть устойчивым, неустойчивым и нейтральным.
Объект устойчив, если после окончания внешнего воздействия он с течением времени возвратится к исходному состоянию или близкому к нему.
Для таких объектов может быть предложена механическая аналогия в виде шарика в лунке, который смещается при внешнем воздействии и возвращается обратно после его окончания (рис. 2.2 а, внизу). Устойчивые объекты иногда называют объектами с самовыравниванием.
Рис. 2.2. Механическая аналогия к понятию устойчивости
В неустойчивом объекте после прекращения воздействия, как бы мало оно ни было, управляемая величина продолжает изменяться. Для этих объектов механическая аналогия имеет вид шарика на вершине холма (рис. 2.2, б, внизу). После окончания импульса шарик продолжает удаляться от положения равновесия.
Нейтральными объектами являются такие, в которых после окончания воздействия устанавливается новое состояние равновесия, отличное от первоначального и зависящее от произведенного воздействия. Шарик на горизонтальной плоскости является механической аналогией этого типа объектов (рис. 2.2, в, внизу). Нейтральные объекты иногда называют объектами без самовыравнивания.
Один и тот же объект при нелинейной его характеристике в зависимости от режима работы может находиться в устойчивом, неустойчивом или нейтральном состоянии.
Установившиеся и переходные процессы в объектах могут изучаться при регулярных и случайных внешних воздействиях.
Всякое правильное протекание технического процесса характеризуется выполнением некоторых условий, приводящих к выполнению поставленной цели, т.е. целевой функции управления. Для характеристики этих условий введено понятие алгоритма функционирования.
Алгоритм функционирования - это совокупность предписаний, ведущих к правильному выполнению технологического процесса.
Если рассматриваемая техническая система при наличии возмущающих воздействий, поступающих от внешней среды, может выполнять предписанный алгоритм функционирования сама по себе, то никакого управления системой не нужно. Если же техническая система сама не может выполнять предписанный алгоритм функционирования, на нее необходимо оказывать специально организованные воздействия извне, которые в совокупности с собственными действиями технической системы приводили бы к выполнению этого алгоритма. Совокупность предписаний, определяющих характер этих воздействий извне, называется алгоритмом управления.
Этот признак- осуществление организованных воздействий извне - достаточно широко определяет понятие «управление» и является общим, поскольку может быть отнесен как к техническим, так и к другим объектам. Поэтому он был принят за основу указанных выше общих понятий автоматического управления.
Управление не может полностью в любой момент времени нейтрализовать влияние возмущающих воздействий внешней среды: возможно лишь приближенное осуществление алгоритма функционирования. Далее это будет рассмотрено подробнее, здесь же отметим, что иногда алгоритм управления должен учитывать как специально организованные, так и возмущающие воздействия.
Управление может быть ручным и автоматическим. В первом случае организованные воздействия извне осуществляются человеком. Во втором случае - автоматическим управляющим устройством, в частности ЭВМ.
Рассмотренные общие понятия автоматического управления имеют следующие определения.
Управляемый объект - это совокупность технических средств (машин, агрегатов, аппаратов, устройств, ЭВМ, промышленных микроконтроллеров различной конструкции и с математическим обеспечением), осуществляющих технический или технологические процессы, которая нуждается в специально организованных воздействиях извне для достижения предписанного алгоритма функционирования и цели управления.
Цель управления - обеспечение соотношения значений координат процессов в объекте управления или их изменения во времени, при которых достигаются желаемые результаты функционирования объекта.
Одноцелевой объект управления - объект управления, предназначенный для достижения одного заданного результата функционирования.
Многоцелевой объект управления - объект управления, предназначенный для достижения нескольких заданных результатов функционирования.
Сосредоточенный объект управления - объект управления, расстояния между элементами (подсистемами) или другими частями которого не существенны для организации системы управления.
Рассредоточенный объект управления - объект управления, расстояния между элементами (подсистемами) или другими частями которого существенны для организации системы управления.
Объект управления с сосредоточенными параметрами - объект управления, математическая модель функционирования которого не содержит дифференциальных уравнений в частных производных.
Объект управления с распределенными параметрами - объект управления, математическая модель функционирования которого содержит хотя бы одно дифференциальное уравнение в частных производных.
Аналоговый объект управления - объект управления, в математической модели функционирования которого все координаты могут принимать любые значения в некоторых диапазонах непрерывной шкалы.
Дискретный объект управления - объект управления, в математической модели функционирования которого все координаты могут принимать только конечное число значений.
Комбинационный дискретный объект управления - это дискретный объект управления, в математической модели которого значения выходных координат в каждый момент времени зависят только от значений входных координат в тот же момент времени.
Последовательностный дискретный объект управления - это дискретный объект управления, значения выходных координат математической модели которого зависят от значений входных координат как в один и тот же момент времени, так и в предшествующие моменты времени.
Аналогово-дискретный объект управления - объект управления, математическая модель функционирования которого содержит как координаты, принимающие любые значения в некоторых диапазонах непрерывной шкалы, так и координаты, принимающие конечное число значений.
Детерминированный объект управления - объект управления, в математической модели функционирования которого управляемые координаты однозначно зависят от других координат.
Стохастический объект управления - объект управления, в математической модели функционирования которого зависимость хотя бы одной управляемой координаты от других координат является вероятностной.
Стационарный стохастический объект управления - объект управления, в математической модели функционирования которого вероятностные характеристики не зависят от времени.
Нестационарный стохастический объект - объект управления, в математической модели функционирования которого некоторые вероятностные характеристики зависят от времени.
Инерционный объект управления - объект управления, изменения управляемых координат которого отстают по времени от вызвавших их изменений управляющих координат.
Безынерционный объект управления - объект управления, изменения управляемых координат которого практически не отстают от вызвавших их изменений управляющих координат.
Объект управления с чистым запаздыванием - инерционный объект управления, изменения управляемых координат которого повторяют вызвавшие их изменения управляющих координат со сдвигом по времени.
Односвязный объект управления - объект управления, в математической модели функционирования которого каждая управляемая координата зависит только от одной соответствующей ей управляющей координаты.
Многосвязный объект управления - объект управления, в математической модели функционирования которого хотя бы одна управляемая координата зависит от нескольких управляющих координат или несколько управляемых координат зависят от одной и той же управляющей координаты.
Одномерный объект управления - объект управления, в математической модели функционирования которого содержится одна управляющая и одна управляемая координата.
Многомерный объект управления - объект управления, в математической модели функционирования которого содержится несколько управляющих и (или) управляемых координат.
Алгоритм управления - совокупность предписаний, определяющая характер специально организованных воздействий извне на управляемый объект в реальном времени.
Всякий алгоритм должен обладать определенностью, массовостью и результативностью.
Определенность означает достаточную формализованность, строгость и общепонятность. Массовость гарантирует возможность применения алгоритма для решения нескольких задач одного класса. Результативность обеспечивает получение искомого результата после выполнения конечного числа элементарных операций (дифференцирования, умножения, интегрирования и т.д.).
Структура системы управления - совокупность и характер связей и отношений между элементами (подсистемами) системы управления.
Обратная связь - это зависимость текущих воздействий на объект от его состояния, обусловленного предшествующими воздействиями на этот же объект. Обратная связь может быть естественной (присущей объекту) или искусственно организуемой. Различают отрицательную обратную связь и положительную обратную связь как обратную связь, действующую в первом случае в сторону уменьшения, а во втором - в сторону увеличения отклонений текущих значений координат объекта от их предшествующих значений.
Закон управления - математическая форма преобразований задающих воздействий, возмущений, воздействий обратных связей, определяющих управляющие воздействия.
Управление - процесс осуществления воздействий, соответствующих алгоритму управления. Управление называется автоматическим, если осуществляется без непосредственного участия человека.
Процесс выработки управляющих воздействий включает сбор, передачу и обработку необходимой информации, принятие решений, обязательно включающее определение управляющих воздействий во взаимосвязи с целевой функцией или поставленной целью управления.
Оптимальное управление - это управление, цель которого заключается в обеспечении оптимального значения принятого показателя качества управления или целевой функции.
Экстремальное управление - управление, цель которого заключается в достижении и удержании экстремума заданного показателя качества функционирования объекта управления (объем выхода готовой продукции, минимум расхода топлива и т.д.).
Терминальное управление - управление, цель которого - перевод объекта управления в заданное конечное состояние в заданный момент времени.
Финитное управление - управление, цель которого заключается в переводе объекта управления из заданного начального состояния в заданное конечное состояние за ограниченное время.
Автоматическое управляющее устройство - устройство, осуществляющее воздействие, соответствующее алгоритму управления. Далее в тексте слово «автоматическое» в термине «автоматическое управляющее устройство» опущено для краткости.
Координация - управление, цель которого заключается в согласовании процессов в разных элементах (подсистемах) объекта управления.
Регулирование - управление, цель которого - обеспечение близости текущих значений одной или нескольких координат объекта управления к их заданным значениям.
Стабилизация - регулирование, цель которого - обеспечение постоянства значений управляемых координат на заданном интервале времени.
Следящее регулирование - регулирование, цель которого заключается в обеспечении соответствия значений управляемых координат значениям воздействий (сигналов) уставки, меняющимся заранее не известным образом.
Программное регулирование - регулирование, цель которого заключается в обеспечении соответствия значений управляемых координат значениям воздействий (сигналов) уставки, меняющимся заранее известным образом.
Противоаварийное управление - управление, цель которого - предотвращение развития аварийных событий, возникающих в системе управления.
Восстанавливающее управление - управление, цель которого заключается в возвращении в состояние исправности, работоспособности или правильности функционирования системы управления, утраченное вследствие дефектов ее элементов и (или) структуры.
Автоматическая система - совокупность управляемого объекта и автоматического управляющего устройства, взаимодействующих между собой.
Приведенные определения обладают достаточно общим характером. Под управляемым объектом можно понимать любую силовую машину, технологический агрегат, устройства техники связи, отдельные блоки ЭВМ, а также их части или любую совокупность этих машин, аппаратов и устройств.
Следует отметить, что в современных сложных автоматических системах бывает трудно провести точную границу между ее частями - управляемыми объектами и управляющими устройствами. В некоторых случаях в качестве управляемых объектов должны рассматриваться отдельные машины или аппараты или даже их части, в других случаях - совокупности машин или аппаратов, а в третьих -машины или аппараты в совокупности с некоторыми из управляющих устройств, в частности ЭВМ. По мнению большинства авторов, понятия алгоритма функционирования и алгоритма управления позволяют провести это деление в зависимости от целей рассмотрения. Если алгоритм функционирования должен быть отнесен ко всей системе в целом, то алгоритм управления зависит от того, каким образом выделена часть автоматической системы, рассматриваемая в качестве управляющего автоматического устройства.
Понятие качества функционирования автоматической системы - это комплекс требований, определяющих поведение системы в установившемся и переходном процессах отработки заданного воздействия, к которым относятся: ее быстродействие, точность (динамическая, статическая, интегральная и другие виды ошибок), перерегулирование и т.д.
Приведенные выше определения общих терминов позволяют перейти к определению общего понятия автоматики как отрасли технической науки.
Автоматика - отрасль технической науки, охватывающая теорию автоматического управления, а также принципы построения автоматических систем и необходимых для них технических средств.
В автоматике имеются разделы, в которых рассматриваются отдельные области ее применения, такие, например, как автоматический контроль, автоматическая защита, автоматический привод, автоматические вычислительные устройства, и др. В данной работе эти термины приводятся только частично, так как в этом направлении следует еще многое сделать.
Замкнутая система управления - система управления, в которой осуществлено управление с обратной связью.
Разомкнутая система управления - система управления, в которой управление осуществлено без обратной связи.
Система ручного управления - система управления, вырабатывающая и (или) осуществляющая управляющие воздействия при участии человека-оператора.
Аналогично в зависимости от реализуемых в системах управления принципов управления определяются следующие термины: система автоматического управления; система автоматизированного управления; система управления по возмущениям; система управления по отклонениям; система комбинированного управления; система адаптивного управления; беспоисковая система адаптивного управления; поисковая система адаптивного управления; система автоматического управления с идентификацией; система управления с переменной структурой; система автономного управления; система управления по оценкам координат; система управления с прогнозированием; система логического управления; система детерминированного управления; система стохастического управления; система линейного управления; система нелинейного управления; система аналогового управления; система дискретного управления; система непрерывного управления; система прерывистого управления; система релейного управления; система импульсного управления; система числового управления; система программного управления.