Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы управления химико-технологическими процессами. Часть 1. Учебное пособие
.pdf
чивается заданный алгоритм при наличии различных возмущающих
х uf
у
воздействий.
В теории автоматического управления при проектировании СУ
используются три фундаментальных принципа управления:
− разомкнутое управление (принцип ручного управления);
− управление по возмущению (принцип компенсации);
− замкнутое управление (принцип обратной связи или управ-
ление по отклонению).
Еще есть комбинированный принцип, сочетающий в себе принципы управления по возмущению и отклонению одновременно.
6.1. Разомкнутое управление
Если свойства объекта управления и возмущения действующие
на него остаются постоянными, а к качеству управления не предъявляются повышенные требования, то можно использовать в системе
принцип управления по задающему воздействию без обратной связи
называемый разомкнутым управлением.
Структурная схема такого принципа управления представлена
на рис. 7.
УУ
ОУ
Рис. 7. Структурная схема разомкнутого управления
При разомкнутом принципе управляющее устройство УУ вырабатывает сигнал управления - u, который поступает на исполнительные элементы объекта управления ОУ. На вход управляющего устройства подается сигнал - х, представляющий собой задание. Задание
задается человеком (оператором) или специальным задающим уст-
21
ройством (программатором). Данный принцип отличается простотой
технической реализации, низкой стоимостью, но оказывается малоэффективным при недостаточной информации о характере возмущении.
Пример схемы ручного регулирования приведен на рис. 8.
Шкаф
ТI
НЭ
SB
~U
Рис. 8. Схема ручного регулирования температуры сушильного шкафа
Человек-оператор в зависимости от показаний термометра ТI
включает или выключает нагревательный элемент НЭ с помощью
выключателя SB.
Принцип разомкнутого управления неприменим при управлении объектом, на который действуют заранее не известные возмущения, оказывающие существенное влияние на управляемую величину у. Он также неприменим, если ОУ является нейтральным или неустойчивым и система управления должна функционировать достаточно длительное время.
6.2. Принцип управления по возмущению
Способ управления, при котором управляющее воздействие
вырабатывается на основе действующих возмущений, называется
способом управления по возмущению или принципом компенсации.
Принцип компенсации иногда также называют принципом Понселе (по имени французского инженера Ж. Понселе (Ponselet), пред-
22
ложившего принцип регулирования паровой машины по моменту со-
u1
y
x
u f
ОУ УУ
K И
противления на ее валу, т. е. по возмущению).
Если известны все возмущающие факторы и их характер воздействия на ОУ, то можно сформировать так управляющее воздействие, что оно будет компенсировать измеренное возмущение (рис. 9).
Здесь управляющее устройство УУ вырабатывает сигнал
управления - u`, в соответствии с заданием - x. Одновременно производится измерение (И) возмущений - f, действующих на объект ОУ, и
производится коррекция (К) сигнала управления - u. Полученный в
результате коррекции сигнал управления - u поступает на объект
управления.
u`
Рис. 9. Структурная схема управления по возмущению
Данный принцип является более эффективным по сравнению с
разомкнутым управлением, при условии, что имеется техническая
возможность измерения возмущающих воздействий. Указанное условие ограничивает применение данного принципа.
Пример управления по возмущению представлен на рис. 10.
пар
Т
сырье
FE
FС
Рис. 10. Управление температурой сырья
23
Температура сырья на выходе из теплообменника Т определяется подачей греющего пара, количество которого зависит от расхода
сырья (возмущающего фактора) замеряемого датчиком расхода FE.
Информация с датчика расхода поступает на регулятор FC, который
выдает управляющее воздействие на исполнительное устройство в
зависимости от расхода сырья. При этом способе управления, температура сырья, поступающая в теплообменник должна быть постоянной.
Качество управления этого принципа значительно выше чем
разомкнутого, т.к. воздействия возмущения компенсируются, но сама
система оказывается дороже из-за затрат на измерение возмущения.
Кроме того, к достоинствам данного принципа можно также отнести:
− полную инвариантность к определенным возмущениям;
− отсутствие проблемы устойчивости системы, т. к. нет ОС.
Недостатками принципа компенсации являются:
− большое количество возмущений требует соответствующего
количества компенсационных каналов, что усложняет систему и повышает её стоимость, одновременно снижая надежность;
− коррекция параметров управления регулируемого объекта
приводит к появлению ошибок в управлении;
− возможность применения только к тем объектам, чьи харак-
теристики однозначно известны и можно учесть все возмущающие
факторы действующие на ОУ, что в реальных объектах сделать крайне сложно.
6.3. Принцип управления по отклонению
Управлением по отклонении называется такой способ управления, при котором определяется отклонение текущего значения выходной переменной от требуемого значения и на его основе формируется управляющее воздействие.
Системы управления, основанные на способе управления по отклонению, непременно содержат обратную связь - канал связи, по которому информация об управляемой переменной поступает на управляющее устройство. Поэтому способ управления по отклонению называют также принципом обратной связи.
24
Первыми промышленными регуляторами, построенными по
принципу обратной связи, являются регулятор уровня котла паровой
машины Ползунова (1765) и регулятор угловой скорости паровой
машины Уатта (1784). Поэтому принцип обратной связи иногда называют принципом Ползунова - Уатта.
Принцип замкнутого управления позволяет решить задачу
управления при любом характере действующих возмущений. Подавляющее большинство технических систем управления построено
именно по этому принципу. Он также присущ живым организмам и
обществу. Так, например, установлено, что, когда человек берет какой-либо предмет, управление кистью его руки производится по
принципу обратной связи (рис. 11).
f
х
Рис. 11. Структурная схема управления по отклонению
e
УУ
u
ОУ
у
Сигнал задания - х поступает на один из входов элемента сравнения, на другой вход которого по цепи обратной связи подается измеренное с помощью датчиков фактическое значение рабочего параметра объекта управления - у. На выходе элемента сравнения имеем
сигнал - е (ошибку, отклонение), который является разностью между
заданным и фактическим значениями параметров. Управляющее устройство УУ в зависимости от величины и знака ошибки вырабатывает сигнал управления - u. Таким образом, принцип замкнутого управления учитывает не только задание, но и фактическое состояние объекта и действующих возмущений. Алгоритм работы такой системы
управления заключен в стремлении свести ошибку к нулю.
Данный принцип является наиболее универсальным и позволяет успешно решать задачи управления, несмотря на неопределенность объекта управления и характера возмущений.
Пример использования данного принципа управления по ошибке представлен на рис. 12.
25
пар
ТЕ ТC
Т
молоко
Рис. 12. Система поддержания заданной температуры в теплообменнике
Температура выходного параметра сырья в теплообменнике Т
замеряется с помощью датчика температуры ТЕ и поступает на регулятор ТС, где происходит сравнение выходной температуры сырья с
заданным значение. В случае расхождения температур, регулятор
выдает команду на исполнительное устройство для уменьшение или
увеличение подачи пара в теплообменник.
К недостаткам данного принципа управления можно отнести:
− возникновение в системах с ОС проблемы устойчивости;
− невозможность добиться в системах абсолютной инвариант-
ности к возмущениям. Стремление частичной инвариантности приводит к усложнению системы и ухудшению устойчивости.
6.4. Комбинированное управление
Принцип комбинированного управления используется в тех
случаях, когда на систему действует много различных возмущений,
один (или несколько) из которых оказывает наибольшее влияние на
работу системы управления и может быть измерен. В подобных случаях влияние превалирующего возмущения можно нейтрализовать,
используя принцип компенсации, и нейтрализовать влияние остальных возмущений, используя принцип обратной связи.
26
Комбинированное управление заключено в сочетании двух
у
принципов управления по отклонению и внешнему возмущению
(рис. 13), т. е. сигнал управления на объект формируется двумя каналами. Первый канал чувствителен к отклонению регулируемой величины от задания. Второй формирует управляющее воздействие непосредственно из задающего или возмущающего сигнала.
К
х
Рис. 13. Структурная схема комбинированного управления
e
u`
УУ
u
И
ОУ
f
Данный способ достигает высокого качества управления, однако его применение тоже имеет ограничение в использовании, так как
возмущающее воздействие f не всегда можно измерить.
Достоинства этого метода:
− наличие отрицательной ОС делает систему менее чувстви-
тельной к изменению параметров регулируемого объекта;
− добавление канала, чувствительного к заданию или к воз-
мущению, не влияет на устойчивость контура ОС.
Примером такого способа управления может считаться системы
регулирования температуры в теплообменнике с коррекцией по расходу сырья (рис. 14).
27
молоко
FE
пар
Т
TE
FC
Рис. 14. Система поддержания заданной температуры
пастеризации молока с коррекцией по расходу сырья
TC
Расход сырья на входе в теплообменник Т является здесь возмущающим воздействием, влияющим на температуру на выходе из
объекта управления. В зависимости от величины расхода сырья, который измеряется расходомером FE, регулятор расхода FС корректирует управляющее воздействие регулятора температуры ТС и обеспечивает необходимую подачу теплоносителя с учетом возмущения.
7. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО
УПРАВЛЕНИЯ
Классификация САУ по принципу управления, рассмотренная
выше, не является единственной. Существует множество различных
признаков, которые можно положить в основу классификации САУ, в
зависимости от решения класса задач поставленных перед ней.
Условно все САУ, используемые для управления химикотехнологическими процессами, можно классифицировать по следующим часто используемым признакам.
1. По алгоритму функционирования (по цели управления, на-
значению, характеру изменения задающего воздействия).
a) Системы стабилизации. Система, алгоритм функциониро-
вания которой содержит предписание поддерживать регулируемую
28
величину на постоянном значении (у(t) = const). В этих системах за-
F
M
F2
F1:
F2 = 1:3
дающее воздействие x(t) постоянно. Примером такой системы является система поддержания постоянного расхода среды в трубопроводе, уровня в емкости и т.д.
b) Системы программного управления. Система, алгоритм
функционирования которой содержит предписание изменять регулируемую величину в соответствии с заранее заданной функцией времени (у(t) изменяется программно). В таких системах задающее воз-
действие x(t) является заранее известной (детерминированной) функцией времени. Примером такого класса систем является система освещения помещения по программе заложенной в таймер.
c) Системы слежения. Система, алгоритм функционирования
которой содержит предписание изменять регулируемую величину у(t)
в зависимости от заранее неизвестной величины на входе x(t) = var.
Следящие системы представляют собой замкнутые системы, реализующие принцип управления по отклонению. Примером такой системы является система управления смешением двух расходов (рис.
15). В зависимости от изменения расхода 1 компонента F1 расход 2
компонента F2 должен подаваться в таком количестве в смеситель,
чтобы выполнялось заданное соотношение расходов F1 : F2 = 1:3.
FE
FC
Рис. 15. Система слежения
d) Системы оптимального управления. Система алгоритм
функционирования которой содержит предписание изменять регули-
29
руемую величину чтобы обеспечить минимум или максимум какогото критерия качества. Например система которая переводит объект из
начального положения в конечное при минимально возможных энергетических затратах, будет оптимальной по расходу энергии на
управление.
e) Системы телеуправления. Система, алгоритм функциони-
рования которой содержит предписание изменять регулируемую величину в зависимости от видеосигнала. Управление осуществляется
на основе анализа видеоинформации об объекте. Примером такой
системы является система управления обработкой изделий движущихся по транспортеру Т (рис. 16). Информация с датчик сигнала ДС
о положении изделия на транспортере поступает в систему управления последующей обработки, которая сравнивает поступившую информацию с хранимой в памяти и при совпадении дает команду на
проведение необходимых технологических операций.
Кроме вышеперечисленных систем, существуют системы сопровождения, компенсационных измерений, автопилотирования и
др., которые в управлении химико-технологическими процессами
практически не используются и поэтому здесь не рассматриваются.
СУ
ДС
Т
Рис. 16. Система телеуправления
2. По количеству контуров:
a) одноконтурные (замкнутая система управления с одним регулируемым параметром, одной обратной связью (с одним контуром
управления));
b) многоконтурные (замкнутая система управления с несколькими контурами управления).
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]