Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы управления химико-технологическими процессами. Часть 1. Учебное пособие
.pdf
современную цивилизацию. Он известен как конструктор ткацких
станков, печатных, деревообрабатывающих и землеройных машин,
приборов для шлифовки стекла.
С необходимостью построения управляющих устройств первыми столкнулись создатели высокоточных механизмов, в первую
очередь, часов. Даже очень небольшие, но действующие непрерывно,
помехи, накапливаясь, приводили, в конечном итоге, к отклонениям
от нормального хода, недопустимым по условиям точности. Противодействовать им чисто конструктивными методами, например,
улучшая точность и чистоту обработки деталей, повышая их массу
или увеличивая полезные усилия, не всегда удавалось. И для повышения точности, в состав часов стали вводить регуляторы. Первое
автоматическое устройство практического назначения было изобретено Гюйгенсом в 1657 году автоматический регулятор маятникового
типа для стабилизации скорости хода часового механизма.
Другой причиной, побудившей строить регуляторы, была необходимость управлять процессами, подверженными столь сильным
помехам, что при этом утрачивалась не только точность, но зачастую
и работоспособность системы вообще. Предшественниками регуляторов для таких условий можно считать применявшиеся еще в средних веках центробежные маятниковые уравнители скорости хода водяных мукомольных мельниц.
Первые автоматические устройства промышленного назначения появились в связи с изобретением и развитием паровых машин и
турбин в 18 и 19 веках в эпоху промышленного переворота в Европе.
Первым автоматическим регулятором такого типа является поплавковый регулятор питания парового котла, разработанный знаменитым русским механиком и изобретателем Н.И. Ползуновым в 1765 году.
Он был применен на барнаульском механическом заводе для поддержания заданного уровня воды в паровом котле паровой поршневой машины.
В 1784 году английский механик Джеймс Уатт получил патент
на центробежный регулятор скорости паровой машины, используемый для поддержания постоянства частоты вращения.
11
К первым промышленным регуляторам относят также первое
программное устройство управления ткацким станком от перфокарты, построенное в 1808 году Жаккаром. Оно применялось для воспроизведения узоров на коврах.
Паровая машина не случайно стала первым объектом для применения техники и теории управления, т. к. она не обладала способностью работать сама по себе, не имела “самовыравнивания”. Ее неблагоприятные динамические свойства часто приводили к тому, что
подключенный к ней регулятор действовал не так, как ожидал конструктор, “раскачивал” машину или вообще оказывался неспособным
управлять ею. Все это, естественно, побуждало к проведению теоретических исследований.
Три фундаментальные работы внесли коренное изменение в
подходе к проблеме и в методологии исследований и содержали, по
существу, изложение начал новой науки об управлении.
Это работы Дж. Максвелла “О регуляторах” (1866) и Вышнеградского “Об общей теории регуляторов” (1876) и “О регуляторах
прямого действия” (1877).
Максвелл и Вышнеградский впервые рассмотрели паровую
машину и регулятор как единую динамическую систему, что позволило разработать методику исследования самых разнообразных по
принципам действия и конструкции систем, заложить основы теории
устойчивости и установить ряд важных общих закономерностей регулирования (по принципу обратной связи).
В 1892 году А.М. Ляпунов опубликовал работу “Общая задача устойчивости движения”, в которой доказал возможность решения вопросов устойчивости регулирования.
Большой вклад в развитие теории автоматических систем
управления внесли работы О. Хейвисайда, Х. Боде, Х. Хазе,
Х. Найквиста, русских ученых К.Э. Циолковского, Н.И. Жуковского,
И.Н. Вознесенским, А.Н. Колмогоровым, А.В. Михайловым, В.Н.
Петровым, Л.С. Понтрягиным, А.А. Фельдбаумом, В.В. Солодовниковым и многими другими.
Эти работы открыли путь потоку технических изобретений
принципов регулирования и регуляторов, продолжавшихся до середины 20-го века.
12
Со второй половины прошлого века в связи с появлением и
бурным развитием достаточно дешёвых, надёжных и быстродействующих электронных вычислительных машин (ЭВМ) в мире начали
создаваться первые автоматизированные системы управления (АСУ)
химико-технологическими процессами.
АСУ построены на базе управляющих вычислительных комплексов (УВК), представляющих собой специализированную промышленную ЭВМ, предназначенную для вычислений и реализации
функций автоматизированных систем управления. Именно разнообразие этих функций позволило поднять автоматизацию на качественно новый уровень. Современные автоматизированные системы
управления развиваются в двух основных направлениях: автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ
ТП) и автоматизированные системы управления производственными
процессами (АСУП).
До АСУ ТП имели место так называемые “локальные” системы
автоматического регулирования (САР), в которых за функционирование отдельно взятого контура регулирования определённого технологического параметра отвечал свой автоматический регулятор
(лат.: “локальный”- местный, ограниченный по месту).
Согласованная работа контуров, число которых в технологическом процессе может быть большим, проводилась оперативным персоналом.
В АСУ ТП насчитываются десятки – тысячи отдельных локальных контуров регулирования, согласование которых также проводит оперативный персонал, но при использовании управляющего
вычислительного комплекса. Таким образом, локальные САР входят
в АСУ ТП, как составная часть.
Автоматизированные системы управления производственными
процессами выполняет функции: маркетинга, календарного планирования, поставок сырья, сбыта готовой продукции, финансирования и
т. д. Объектом управления для АСУТП является трудовой процесс
непосредственного производства товарной продукции и вся административно-хозяйственная деятельность предприятия, неизбежно сопровождающая основной процесс производства продукции.
13
В настоящее время созданы принципиально новые системы
управления – интеллектуальные АСУ, использующие принципы и
методы искусственного интеллекта.
3. БАЗОВЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Технологический процесс (ТП) – это совокупность технологиче-
ских операций, проводимых над исходным сырьем в одном или нескольких аппаратах, целью которых является получение продукта
обладающего заданными свойствами.
Физические величины, определяющие ход технологического
процесса, называются параметрами технологического процесса. Например, параметрами ТП могут быть: температура, давление, расход,
напряжение и т. д.
Значение параметра ТП, полученное в определенный момент
времени на основании данных некоторого измерительного прибора
называется измеренным значением.
Параметр технологического процесса, который необходимо поддерживать постоянным или изменять по определенному закону, называется регулируемым параметром или регулируемой величиной.
Управление - это процесс формирования и реализации управляющих воздействий, направленных на достижение некоторой цели.
Основу любой системы управления составляет объект управле-
ния.
Объект управления (объект регулирования, ОУ) – это аппарат,
система аппаратов, машина или другое устройство, в котором
одна или несколько химико-технологических величин, характеризующих его состояние поддерживается на заданном уровне или изменяется по определенному закону специально организованными
управляющими воздействиями извне.
Примером ОУ являются реактор, ректификационная колонна,
теплообменник, емкость, трубопровод, насос и т. д.
Цель процесса управления заключается в том, чтобы объект
управления в условиях реальной эксплуатации обеспечивал выполнение требуемых функций (рис. 1).
14
Рис. 1. Процесс управления
Цель управления формируется вне системы управления и является выходным сигналом. Для одного и того же ОУ цель управления
может формулироваться по-разному и изменяться во времени. Например, для аппарата смешения целью может быть как время процесса смешения, так и качество конечного продукта смешения.
Состояние объекта управления определяется одним или несколькими рабочими параметрами называемые выходными параметрами (выходом) объекта - y(t). Чаще всего выходные параметры
представляют собой физические величины: температура, давление,
напряжение электрического тока, линейные и угловые перемещения
и т.д.
Величины, характеризующие внешнее влияние на объект, называются воздействиями или входными сигналами (входом).
Воздействия на объект, вырабатываемые управляющим устройством, называют управляющими воздействиями - u(t). Для возможности реализации этих управляющих воздействий всякий объект снабжается специально предусмотренными для этой цели управляющими
органами.
Внешнее воздействие, определяющее требуемый закон измене-
ния управляемой величины, называется задающим воздействием (за-
данием) - x(t).
Воздействия на объект, не зависящие от системы управления
называются возмущающими воздействиями (возмущениями) - f(t).
Они могут быть внешними (температура окружающей среды, поме-
хи наводимые электромагнитными полями, нагрузка на выходе и др.)
и внутренними (активность катализатора).
15
Эти воздействия вызывают изменение внутреннего состояния
Объект
f(t)=(f1,
f2
…fk) u
(t)=(u1,
u2
…fd)
z
(t)=(z1,
z2
…zs)
объекта и как следствие - рабочих параметров. В связи с этим для
выполнения рабочих функций y(t)=(y1, y2 …ym) по заданным алгоритмам x(t)=(x1, x2 …xn) необходимо на объект управления так организо-
вать подачу управляющих воздействий u(t)=(u1, u2 …fd), чтобы обес-
печить компенсацию возмущающих возмущений (t)=(f1, f2 …fk) и
y(t)= x(t) (рис 2). Переменные, характеризующие состояние объекта
управления, называются переменными состояния z(t)=(z1, z2 …zs).
)
n
…x
2
, x
1
управления
x(t)=(x
Рис 2. Воздействия на объект управления
)
m
…y
2
, y
1
y(t)=(y
Если объект управления характеризуется только одной управляемой величиной y(t), то он называется одномерным (рис. 3, а). Если параметров объекта y(t) и x(t) несколько, то он называется многомер-
ным (рис. 3, б).
16
Рис. 3. Типы объектов управления: а – одномерный, б - многомерный
Совокупность объекта управления и управляющего устройства
(УУ) называется системой управления(СУ):
СУ=ОУ+УУ.
Частный вид управления, когда задачей является обеспечение
постоянства какой-либо выходной величины ОУ, называется регули-
рованием:
y(t)= const.
Техническое устройство, обеспечивающее автоматическое поддержание заданного значения выходной величины объекта управления y(t) или изменения ее по определенному закону называется ав-
томатическим регулятором (АР).
4. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА АСР
Структурная схема типовой одноконтурной автоматической
системы регулирования (АСР) показана на рис. 4.
Как правило, все входные и выходные переменные систем
управления являются функциями времен, поэтому в дальнейшем в
обозначениях переменная t опускается.
17
х
ЭОС
УУ
ЭС
f
e
у
ос
АР
uАР
u
им
u
ро
РО ИМ
ОУ
y
НП
Рис. 4. Структурная схема АСУ
ПИП
Принятые обозначения на рис. 4:
ОУ – объект управления;
f - возмущение внешней среды на систему;
y – выходное воздействие, выдаваемое (ОУ);
ПИП - первичный измерительный прибор;
НП - нормирующий преобразователь;
ЭОС – элемент обратной связи (датчик и нормирующий преобразователь), устройство для измерения текущего значения выходной
величины - у и преобразования его в сигнал - уос удобный для передачи;
х - задающее воздействие (задание);
ЭС – элемент сравнения,
АР – автоматический регулятор;
uАР - управляющее воздействие АР;
ИМ – исполнительный механизм;
u
– управляющее воздействие ИМ на РО;
им
РО – регулирующий орган;
u
– управляющее воздействие РО на поток вещества или энер-
ро
гии влияющих на выход объекта управления – у;
УУ - управляющее устройство (автоматический регулятор, исполнительный механизм и регулирующий орган).
Выходной параметр объекта управления - у измеряется первичным преобразователем (датчик), который преобразует измеренный
сигнал в форму удобную для дальнейшей обработки и преобразования. Например, термометр сопротивления, измеряя
температуру на выходе ОУ, преобразовывает её в изменение сопро-
18
тивления. Сигнал с датчика поступает на НП, который служит для
УУ
преобразования измерительного сигнала в унифицированный вид и
дистанционной передачи сигнала по каналу связи. Преобразованный
выходной сигнал - у
поступает на элемент сравнения. ЭС, устройст-
ос
во в котором сравнивается заданное значение входной величины - х с
текущим значением преобразованной выходной величины - уос и определяется ошибка регулирования e = х - у
. Рассогласование е
ос.
проступает на вход АР, который в зависимости от ошибки и заложенного алгоритма регулирования вырабатывает управляющее воздействие на исполнительное устройство, состоящее из исполнительного механизма и регулирующего органа. ИМ предназначен для преобразования, усиления мощности командного сигнала uАР, получаемого от регулятора в изменение положения регулирующего органа
(РО). Регулирующий орган воздействует на материальные или энергетические потоки, определяющие выходную величину - y ОУ, с целью поддержания её на заданном уровне y = x (e → 0) или изменения
по определенному закону.
5. ПОНЯТИЕ И ВИДЫ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ
Системы автоматического управления подразделяются на разомкнутые (рис. 5, а) и замкнутые (рис. 5, б), т. е. с обратной связью
(ОС). Цель ОС доставить информацию с выхода на вход системы с
помощью ЭОС.
f
f
x
Рис. 5. Структурные схемы АСР: а - разомкнутая; б - замкнутая
u
ОУ
а б
x
y
e
y
ос
УУ
u
ЭОС
ОУ
y
Различают отрицательную (ООС) и положительную (ПОС) об-
ратные связи. Отрицательная ОС – это когда информация или сигнал
19
поступает с выхода на вход со знаком минус, т. е. обратный сигнал
e(t)
g(t)
e(t)
g(t)
e(t)
g(t)
e(t)
g(t)
dt
∫
вычитается из прямого е(t)=х(t)-yос(t).
Положительная ОС – это когда обратный сигнал yос(t) суммируется с входным сигналом е(t)=g(t)+yос(t). ПОС применяется для усиления выходного сигнала.
Обозначение ООС на схемах представлено на рис. 6, а, б, ПОС
- на рис. 6, в.
–
y(t)
y(t)
а б в
а, б – отрицательная; в - положительная
Элемент сравнения называется еще сумматором. Его выходной сигнал равен сумме входных сигналов. Зачерненный сектор
говорит о том, что данный входной сигнал надо брать с противоположным знаком.
Кроме этого, различают жесткие и гибкие ОС. Жесткая ОС –
это когда сигнал прошедший через элемент обратной связи yос(t) пропорционален выходному сигналу y(t) системы:
yос(t)=k·y(t),
где k – коэффициент пропорциональности.
Если k = 1, то такая обратная связь называется единичной
обратной связью и на структурных схемах АСР обозначается в виде
прямой линии соединяющей выход системы со входом (см. рис. 11).
Все другие зависимости носят название гибкой ОС:
yос(t)=yn(t); yос(t)=
6. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ
В основе построения различных систем управления лежат общие принципы управления, заключающиеся в формировании такого
закона изменения управляющего воздействия, при котором обеспе-
20
y(t)
Рис. 6. Обозначение ОС:
n
tyd )(
; yос(t)=k*
n
+
y(t)
)(tdy и т. д.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]