7.2. 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.

ТАУ – 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.

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.

Понятие обратной связи. 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.

Классификация САУ. Системы автоматического управления можно классифицировать по различным признакам.

1. Классификация САУ по принципу действия:

– САУ по отклонению;

– САУ по возмущению;

– комбинированная САУ. В этой системе объединены принципы по отклонению и по возмущению.

2. 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, например, в камере хранения.

САУ программные. Отличительный признак этих систем – выходной сигнал задатчика изменяется по заранее известной функции времени (программе). Управление периодическими процессами (освещение птичника или теплицы) осуществляется программными 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.

3. 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 0 – выше или равную допустимой.

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.

4. По количеству регулируемых параметров САР в зависимости от числа регулируемых величин подразделяются на одно- и многомерные.

Одномерными называются системы с одной регулируемой величиной.

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.

5. 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.

Понятие об устойчивости САУ. 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.

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.

Объект управления (ОУ) – 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.

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 не оперативно, 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.

Воздействия – факторы, изменяющие течение технологического процесса в объекте управления. Они могут быть возмущающими и управляющими.

Возмущающие воздействия носят случайный, трудно предсказуемый 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 N_a к общему их числу N:

α = N_a / N_a . (2.1)

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).