3. Перестраиваемая структура в автоматизации процессов управления

Проектирование систем логического управления разнообразными объектами промышленной автоматики, обеспечивающих их эффективную согласованную работу в соответствии с заданным алгоритмом функционирования, всегда считалось одной из важнейшей задач автоматизации процессов управления.

Среди различных принципов управления, позволяющих в том или ином смысле наилучшим образом управлять объектом регулирования, привлекают системы, в которых управляющее воздействие является разрывными функциями ее координат и внешних воздействий.

Именно в таких системах зачастую удается получить максимальный эффект от использования средств автоматики, в том числе оптимальность.

Анализируя возможность линейных регуляторов, предназначенных для управления объектами с постоянными параметрами, можно прийти к выводу, что при их построении необходимо выдержать определенные соотношения между коэффициентами воздействия по координате ошибки и ее производной. Сложность задачи управления объектами с постоянными параметрами еще больше возрастает, если, например, не имеется точной информации о состоянии системы, возникает необходимость в искусственном ограничении каких-либо координат, система содержит элементы с запаздыванием или на управляемый объект действуют неконтролируемые возмущения.

Рассмотрим задачу о регулировании температуры горячего дутья в доменной печи. Система регулирования температуры горячего дутья принципиально не отличается от типовой схемы регулирования температуры. Она состоит из термоэлектрического датчика, электронного потенциометра, управляющего устройства (ПИД- или ПИ-регулятора с задатчиком), исполнительного механизма при смесительном клапане. Управляющее устройство автоматически устанавливает такое соотношение горячего и холодного воздуха, поступающего в смесительный воздухопровод, при котором в зоне установки термоэлектрического датчика поддерживается заданная температура горячего дутья. Техническая структура системы автоматического регулирования температуры горячего дутья представлена на рис. 5.

Существенным недостатком такой системы регулирования является качество переходного процесса (присутствие колебаний и максимальной динамической ошибки).

Рис. 5. Техническая структура системы автоматического регулирования температуры горячего дутья; ОУ – объект управления; Д – датчик; ЗД – задатчик; УУ – устройство управления; БРУ – блок ручного управления; ИМ – исполнительный механизм; РО – регулирующий орган; ИП – индикатор положения

Существенные дополнительные возможности улучшения процессов регулирования дает нелинейное управление работой объекта путем изменения структуры управляющего устройства в зависимости от размеров и знаков входных величин, поступающих в управляющее устройство.

Предположим, что в управляющем устройстве предусмотрена возможность изменения структуры системы, причем в зависимости от ее состояния в любой момент времени имеет место одна из двух линейных структур. Например, если известно, что при одном законе регулирования получается быстрое начальное изменение регулируемой величины, но с большими последующими колебаниями (И-закон), а при другом линейном законе регулирования – медленное изменение, но плавный подход к новому установившемуся режиму (П-закон), то можно, включив сначала первый закон, переключить затем систему на второй закон в некоторой точке A, когда отклонение x достигнет определенного значения y_A. В результате процесс регулирования изобразится кривой (рис. 6), объединяющей оба качества – быстроту и плавность процесса.

Рис. 6. Переходный Рис. 7. Схема автоматического

процесс в системе с регулирования температуры горячего дутья

переменной структурой с переменной структурой; БК – блок

коммутируемых коэффициентов; ИзУ –

измерительное устройство; ФФП – блок

формирования функции переключения;

ИУ – исполнительное устройство

На рис. 7 представлена схема автоматического регулирования температуры горячего дутья с переменной структурой. В схему входит блок измерения (ИзУ), который производит непрерывную оценку регулируемой величины и вычисляет величину сигнала рассогласования, который подает на блок формирователя функции переключения, осуществляющий анализ и переключение сигнала отклонения регулируемой величины (t) на необходимый закон регулирования (блок коммутируемых коэффициентов).

Модель автоматической системы регулирования температуры горячего дутья доменной печи с переменной структурой осуществлена с помощью пакета MATLAB.

Объект управления задается в виде последовательно соединенных аппереодического и звена чистого транспортного запаздывания. Передаточная функция объекта управления имеет вид , где k = 6  – коэффициент передачи;  = 20 c – величина запаздывания; T = 80 c – постоянная времени.

Параметры передаточной функции определяются из идентификации кривой разгона объекта, полученной экспериментальным путем.

Для оптимального регулирования необходимо определить оптимальные параметры настройки системы автоматического регулирования горячего дутья доменной печи с переменной структурой. В системе используются две линейные структуры с П- и И-регулятором. Используя метод суперпозиции, получаем две классические одноконтурные системы регулирования. Расчет оптимальных параметров настройки каждого из регуляторов осуществляется по методу расширенных амплитудно-фазовых характеристик. Полученные оптимальные параметры настройки регуляторов в одноконтурных системах и являются также оптимальными параметрами настройки системы с переменной структурой.

В итоге мы получаем переходный процесс без колебаний, без максимальной динамической ошибки и со существенным снижением времени регулирования по сравнению с классической системой автоматического регулирования.

5