21. Методы получения математического описания объектов регулирования. Построение математической модели емкости с жидкостью, сепаратора.

Аналитические методы базируются на использовании уравнений описывающих физико-химические и энергетические процессы, протекающие в исследуемом объекте управления. Это, например, законы сохранения вещества и энергии (уравнения материального баланса). В качестве примера рассмотрим аналитическую процедуру получения передаточной функции бака с жидкостью (Рис. 1.3).

В баке будет осуществляться стабилизация уровня жидкости на номинальном значении . Регулирование притока Qn осуществляется через верхнюю трубу. Слив жидкости идет через нижнюю трубу через установленный на ней клапан Kл. Степень открытия клапана может изменяться от 0 до 1, устанавливая тем самым нужную величину стока. Площадь сечения бака S. Очевидно, что в установившемся режиме работы приток равен стоку . Таким образом, управляющей величиной является приток жидкости, управляемой - величина уровня, а главным возмущением - изменение величины степени открытия клапана . Пусть приток жидкости в бак увеличился на В этом случае текущее значение притока будет равно Тогда за время уровень возрастет на величину и составит

h = ho +

Очевидно, что количество жидкости накопленной во времени должно равняться количеству жидкости накопленной в объеме. Отсюда следует уравнение материального баланса:

Для анализа изменения уровня преобразуем это уравнение к виду:

Из физики известно, что величина стока связана с уровнем соотношением:

Эта зависимость носит нелинейный характер. Для получения линейного дифференциального уравнения объекта и его передаточной функции необходимо произвести линеаризацию нелинейности в окрестности рабочей точки регулирования. Такой подход справедлив, т.к. при использовании регулятора стабилизации, отклонения текущего значения уровня от заданного будут малыми. Для линеаризации необходимо разложить функцию (1.2) в ряд Тейлора и отбросить все нелинейные члены. Проделав это, получим:

С учетом этой зависимости уравнение (1.1) примет вид:

Беря предел, при , произведя замену переменных и учитывая, что , получим дифференциальное уравнение объекта:

Известно, что инерционное звено первого порядка с коэффициентом усиления К и постоянной времени Т описывается дифференциальным уравнением:

Тогда, из сравнения формул (1.3) и (1.4) получим следующие выражения для постоянной времени и коэффициента усиления бака с жидкостью:

Достоинства аналитических методов: - не требуют проведения экспериментов на реальном объекте; - позволяют определить математическое описание еще на стадии проектирования системы управления; - позволяют учесть все основные особенности динамики объекта управления, как-то наличие нелинейностей, нестационарность, распределенные параметры и т.д.; - обеспечивают получение универсального математического описания, пригодного для широкого класса аналогичных объектов управления. Недостатки: - трудность получения достаточно точной математической модели, учитывающей все особенности реального объекта; - проверка адекватности модели и реального процесса требуют проведения натурных экспериментов; - многие математические модели имеют ряд трудно оцениваемых в численном выражении параметров (например, константы скоростей химических реакций).

Существуют аналитические, экспериментальные и комбинированные методы получения математического описания объектов управления. Аналитические методы базируются на использовании уравнений описывающих физико-химические и энергетические процессы, протекающие в исследуемом объекте управления. Это, например, законы сохранения вещества и энергии (уравнения материального баланса). В настоящее время для многих классов объектов управления получены их математические модели. В частности для аэрокосмических объектов ( ракет, самолетов, вертолетов), для технологических объектов ( химические реакторы), для энергетических процессов (ядерные реакторы, паровые турбины, генераторы, двигатели). При получении таких описаний обычно оперируют с дифференциальными уравнениями в частных производных, т.к. переменные изменяются как во времени, так и в пространстве. Экспериментальные методы предполагают проведение серии экспериментов на реальном объекте управления. Обработав результаты экспериментов, оценивают параметры динамической модели объекта, задавшись предварительно ее структурой. Наиболее эффективными оказываются комбинированные методы построения математической модели объекта, когда, используя аналитически полученную структуру объекта, ее параметры определяют в ходе натурных экспериментов.

Математическое описание объекта управления   Прежде чем построить модель, необходимо оценить управляющие и возмущающие воздействия в системе управления. На рис.1 показана структурная схема возмущающих воздействий. Рис.1 Алгоритмическая структурная схема по возмущению Разработка математической модели объекта регулирования может быть получена следующими способами: 1.Аналитический способ. 2.Экспериментальный способ (получение математической модели по разгонным характеристикам). 3.Смешанный способ (вид модели получают аналитически, а коэффициенты экспериментально). В данном случае расчет математической модели будет произведен экспериментальным способом. Далее в таблицах () и на рисунках () представлены результаты эксперимента для динамических разгонных характеристик по каналам управления и возмущения. Используя программу расчета IDEN, разработанную на факультете АСУТП, и разгонные характеристики, полученные на предприятии, проводим аппроксимацию кривых разгона на ПЭВМ, определяя передаточные функции объекта управления по каналам управления и возмущения.

 

21. Структура и принцип работы гидростатической системы измерения

уровня типа « Smart tank HTG», системы диспетчерского контроля рассредоточенных объектов.

Телемеханические устройства относятся к комплексным телемеханическим системам, предназначенным для территориально рассредоточенных объектов. При этом особенность таких систем заключается в том, что число телемеханизированньих контролируемых пунктов гораздо больше числа телемеханических операций, осуществляемых на каждом контролируемом пункте. Телемеханические устройства диспетчерских служб должны обеспечивать:

централизованный контроль основных параметров газоснабжения; передача сигналов на диспетчерский пункт при нарушениях заданного режима газоснабжения, возникновении аварий и неисправностей; централизованное управлёние основными запорными устройствами на газопроводах и устройствами настройки регуляторов (пилотами) давления соответствующих газорегуляторных пунктов; контроль положения объектов телеуправления; двустороннюю телефонную связь между контролируемыми пунктами и диспетчерской. Телемеханическая аппаратура подразделяется на аппаратуру: телеизмерений (ТИ); телеуправления — телесигнализации (ТУ— ТС); для обработки и регистрации информации, поступающей на диспетчерский пункт; телефонной связи (ТФ); вспомогательную.

Контролируемые пункты являются местами сосредоточения объектов телеуправления (ТУ), телесигнализации (ТС) и телеизмерения (ТИ). В настоящее время условная дальность действия телемеханической аппаратуры принята 25 км. Если необходимо передать информацию на большее расстояние, принимают меры по снижению значения электрического затухания, например используют электрические кабели с большим сечением жил.

Устройства телеуправления предназначены для оперативного изменения из диспетчерского пункта положения пилотов регуляторов давления газа. Каждому из телеуправляемых регуляторов передается две команды «Больше давление» или «Меньше давление». При этом устанавливаются не менее трех уровней выходного давления. По показаниям приемников телеизмерений осуществляется контроль исполнения команд телеуправления настройкой регуляторов давления. Системы телемеханики могут работать в двух основных режимах: автоматический опрос группы объектов и выборочное подключение к диспетчерскому пункту отдельного объекта. Информация телеизмерения параметров газа может воспроизводиться путем вывода ее на табло и показывающие приборы, а также регистрации самопишущими приборами. Устройства телемеханики обеспечивают раздельное и совместное проведение операций телеуправления, телесигнализации, телеизмерения и связи. В первом случае телемеханические устройства называют функциональными, во втором — комбинированными. Комбинированные устройства могут выполнять несколько видов телемеханических операций, но не решают все задачи контроля и управления. Эти задачи решают комплексные телемеханические системы, обеспечивающие передачу сигналов телеуправления, телесигнализации и телеизмерения, а также осуществление телефонных переговоров по общей линии связи.

Телемеханика — область науки и техники, предметом которой является разработка методов и технических средств передачи и приёма информации (сигналов) с целью управления и контроля на расстоянии.

Специфическими особенностями телемеханики являются:

• удалённость объектов контроля и управления;

• необходимость высокой точности передачи измеряемых величин;

• недопустимость большого запаздывания сигналов;

• высокая надёжность передачи команд управления;

• высокая степень автоматизации процессов сбора информации.

Назначение

Телемеханизация применяется тогда, когда необходимо объединить разобщённые или территориально рассредоточенные объекты управления в единый производственный комплекс (например, при управлении газо- и нефтепроводом, энергосистемой, ж. -д. узлом), либо когда присутствие человека на объекте управления нежелательно (например, в атомной промышленности, на химических предприятиях) или невозможно (например, при управлении непилотируемой ракетой).

Внедрение телемеханических систем позволяет сократить численность обслуживающего персонала, уменьшает простои оборудования, освобождает человека от работы во вредных для здоровья условиях.

Особое значение телемеханика приобретает в связи с созданием автоматизированных систем управления (АСУ). Обработка данных, полученных по каналам телемеханики, на ЭВМ позволяет значительно улучшить контроль за технологическим процессом и упростить управление. Поэтому в настоящее время вместо понятия "телемеханика" всё чаще и чаще используется сокращение АСУТП — автоматизированная система управления технологическим процессом. Современная система телемеханики также немыслима без компьютера, поэтому можно сказать, что телемеханика и АСУТП — близнецы-братья. Разница между этими понятиями улавливается лишь по времени появления и по традиции использования. Например, в энергетике предпочитают использовать слово телемеханика, на промышленных предприятиях — АСУТП.

В англоязычных источниках аналогом понятия "телемеханика" является сокращение SCADA — Supervisory Control And Data Acquisition — диспетчерское управление и сбор данных, в которое вкладывается, по сути, тот же смысл.

Области применения

Предприятия химической, атомной, металлургической, горнодобывающей промышленности, электрические станции и подстанции, насосные и компрессорные станции (на нефте- и газопроводах, в системах ирригации, тепло- и водоснабжения), ж.-д. узлы и аэропорты, усилительные и ретрансляционные установки на линиях связи, системы охранной сигнализации и т. д.

Пример построения телемеханической системы

Рассмотрим основные понятия, используемые в телемеханических системах, на примере так называемой двухуровневой системы, ставшей классической схемой.

Контроль и управление системой осуществляют с Пункта Управления (ПУ), где находится диспетчер, аппаратура телемеханики, ЭВМ, мнемонический щит.

Объекты контроля и управления находятся на Контролируемых Пунктах (КП), одном или нескольких.

Взаимодействие между ПУ и КП происходит по каналу связи. Это может быть простая физическая линия, оптоволокно, выделенный телефонный канал, радиоканал и т.п. При подключении к одному каналу связи нескольких КП каждый из них должен иметь уникальный номер.

Часто под ПУ и КП подразумевают саму аппаратуру телемеханики.

Данные между ПУ и КП передают короткими массивами, которые называют кадрами, фреймами, посылками. Посылки вместе с данными содержат адресную часть и проверочный код для выявления искажений в процессе передачи. Адрес должен однозначно идентифицировать измеряемый параметр в рамках всей системы, например, номер контроллера ПУ - номер КП - номер группы в КП - номер параметра в группе. Для защиты данных обычно используют один из вариантов подсчета контрольной суммы.

Способ кодирования данных и порядок обмена посылками обычно называют протоколом обмена. Одним из основных требований при выборе протокола является его надежность, т.е. способность передавать данные без искажений и возможность повторной передачи в случае сбоя.

Аппаратура телемеханики (обычно называемая контроллером) на КП собирает информацию об объекте посредством датчиков и преобразователей.

Датчиками могут быть простые двухпозиционные переключатели, состояние которых изменяется при изменении состояния объекта (включен/выключен, норма/авария и т.п.). Обычно контроллер КП следит за состоянием датчиков и при изменении хотя бы одного из них передает на ПУ посылку, которую называют ТелеСигналом (ТС). Контроллер ПУ, получив ТС, передает его на ЭВМ и контроллер щита. Программа на ЭВМ изменяет состояние изображения контролируемого объекта на схеме и предупреждает диспетчера звуковым сигналом. Контроллер щита зажигает на щите соответствующий индикатор.

Для количественной оценки состояния объекта на КП применяют преобразователи, которые преобразуют физические параметры (температура, давление, напряжение, ток) в нормированные электрические сигналы. Контроллер КП измеряет значения этих сигналов и передает их на ПУ в цифровом виде в посылках ТелеИзмерений (ТИ). Аналогично ТС, ТИ поступают на ЭВМ и щит для отображения. Программа для ЭВМ может отслеживать уровни приходящих измерений и сигнализировать, например, о превышении критического порога (уставки).

При необходимости вмешательства в ход контролируемого процесса оператор посредством ЭВМ выдает в систему команду Телеуправления (ТУ). C ЭВМ команда поступает на контроллер ПУ, который передает его нужному КП. Контроллер КП при получении команды проверяет ее достоверность, выдает электрический сигнал для включения исполнительного механизма (например, запуск электродвигателя), передает на ПУ квитанцию о выполнении команды. Команды ТУ обычно двухпозиционные: ТУ Включить и ТУ Отключить.

Современные контроллеры КП могут получать информацию не только с датчиков и преобразователей, но и с различных микропроцессорных устройств, например, приборов учета, токовых защит. Для стыковки с такими устройствами применяют один из локальных интерфейсов, например, RS-485. Информационный обмен идет с использованием одного из совместимых протоколов, например, Modbus.