Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы управления химико-технологическими процессами. Часть 1. Учебное пособие
.pdf
3. По числу управляемых величин:
a) одномерные (системы с одной управляемой величиной);
b) многомерные (системы с несколькими управляемыми вели-
чинами).
Многомерные АСУ, в свою очередь, подразделяются на системы:
- несвязанного управления. Системы, в которых регуляторы
непосредственно не связаны между собой и могут взаимодействовать
только через общий для них объект управления. Системы несвязанного управления делятся:
- на зависимые (системы, в которых процессы управления параметрами объекта нельзя рассматривать изолированно друг
от друга, поскольку на изменение одной из управляемых величин
влияют изменения других);
- независимые (системы, в которых процессы
управления параметрами объекта можно рассматривать изолированно друг
от друга);
- связанного управления. Системы, в которых регуляторы раз-
личных параметров одного и того же технологического процесса связаны между собой вне объекта регулирования. Это многоконтурные
САУ.
4. По характеру используемых для управления сигналов.
В зависимости от прохождения и характера сигнала в системе
управления они делятся:
a) на аналоговые (непрерывные). В аналоговой системе фор-
мирование и прохождение сигнала осуществляется непрерывно во
времени;
b) дискретные (прерывистые). Система, в которой, по крайней
мере, между двумя непрерывными её элементами формирования сигнала производится не непрерывно, а прерывисто, относится к классу
дискретных систем. Системы дискретного управления в свою очередь делятся:
- на импульсные. Система содержит импульсный элемент пре-
образующий непрерывный сигнал в последовательность импульсов.
В импульсном элементе происходит модуляция, т.е. в соответствии с
входным сигналом изменяется один из параметров последовательно-
31
сти импульсов на выходе. В зависимости от того, какой параметр импульса изменяется, различают: амплитудно-импульсную модуляцию
(АИМ); широтно-импульсную модуляцию (ШИМ); частотноимпульсную модуляцию (ЧИМ); фазоимпульсную модуляцию (ФИМ).
При АИМ изменяется амплитуда - Аи, при ШИМ — ширина (длительность) импульса - τи, при ЧИМ - частота следования - Т, а при
ФИМ - изменяется фаза импульсов, т.е. временное положение относительно тактовых точек (рис. 17);
- цифровые. Система управления называется цифровой, если
она содержит цифровое устройство;
- релейные. Релейные системы содержат реле или элементы,
имеющие релейную характеристику, которая принимает два возможных значения: минимальное (разомкнуто) и максимальное
(замкнуто).
Рис. 17. Виды модуляции импульсного сигнала
5. По характеру математических соотношений описывающих систему.
В зависимости от того, какие в основе математической модели,
описывающей систему управления, лежат уравнения, САУ делятся:
a) на линейные (описываются линейными уравнения, для кото-
рых справедлив принцип суперпозиции);
32
b) нелинейные (описываются нелинейными уравнениями).
Принцип суперпозиции (наложения) заключается в том, что если на вход объекта управления (рис. 18) подается несколько входных
воздействий хi, то реакция объекта на сумму входных воздействий
равна сумме реакций объекта на каждое воздействие в отдельности:
Λ(х1 + х2) = Λ(х1) + Λ(х2),
где Λ - линейная функция (интегрирование, дифференцирование
и т. д.).
Рис. 18. Объект с несколькими входными воздействиями
Практически все системы управления химикотехнологическими процессами не линейны, и получение их точного
математического описания представляет значительные трудности.
Линейные и нелинейные системы могут быть непрерывными,
дискретными и дискретно-непрерывными. Непрерывные системы
описываются дифференциальными уравнениями, дискретные описываются дифференциально-разностными, а дискретно-непрерывные
обоими видами уравнений.
6. По виду используемой энергии.
В зависимости от того, используются или не используются дополнительные источники энергии для перемещения регулирующего
органа, системы автоматического регулирования делятся на системы:
a) прямого действия. Регулирующий орган перемещается непосредственно чувствительным элементом. Дополнительный источник энергии в системе управления отсутствует. Энергия для перемещения РО поступает непосредственно из объекта управления через
первичный измерительный преобразователь. Примером такой системы является регулятор уровня воды в паровом котле, построенный
И. И. Ползуновым;
33
b) непрямого (косвенного) действия. Для перемещения регу-
лирующего органа используют вспомогательные устройства, работающие от дополнительных (внешних) источников энергии.
В зависимости от источника дополнительной энергии системы
управления делятся:
- на электрические (постоянный или переменный ток);
- пневматические (давление сжатого воздуха);
- гидравлические (давление несжимаемой среды - масла);
- комбинированные.
7. По характеру изменения параметров системы:
a) стационарные (сосредоточенные и распределенные);
b) нестационарные (сосредоточенные и распределенные).
Если в период эксплуатации параметры системы являются не-
изменными, то система считается стационарной, в противном случае
- нестационарной. Кроме того, особо выделяются системы с распределенными параметрами, т.е. такие системы, которые содержат распределенные в пространстве элементы, например, длинные электрические линии и т. д.
8. По типу ошибки в статике САУ.
Под ошибкой e(t) системы управления понимается разность
между заданием - x(t) и выходом - y(t) в установившееся режиме системы: e(t) = x(t) - y(t). По виду зависимости установившейся ошибки
от внешнего воздействия системы делятся:
a) на статические;
b) астатические.
Система, в которой величина установившейся ошибки зависит
от величины возмущения при постоянном задании, называется статической по возмущению. Если установившаяся ошибка не зависит от
величины возмущения, то система является астатической 1-го порядка. Если установившаяся ошибка не зависит от первой производной
возмущающего воздействия (скорости), то система является астатической 2-го порядка. Кроме того, различают статизм и астатизм по
задающему воздействию. При этом возмущение считается постоянным и установившаяся ошибка рассматривается в зависимости от величины задающего воздействия.
34
9. По характеру внешних воздействий.
В зависимости от характера внешних воздействий (задающего и
возмущающего) различают следующие системы:
a) детерминированные;
b) стохастические.
В детерминированных САР внешние воздействия имеют вид
постоянных функций времени. В стохастических системах внешние
воздействия имеют вид случайных функций.
Рассмотренные разновидности и свойства систем управления
являются основными, но не исчерпывают всего многообразия САУ.
10. По способу использования текущей информации.
В зависимости от способа использования текущей информации
системы управления делятся:
a) на не адаптивные. Это обычные системы управления, в ко-
торых текущая информация используется только для выработки
управляющего воздействия при неизменном алгоритме управления;
b) адаптивные. Это системы в которой текущая информация,
помимо выработки управляющего воздействия, используется также
для изменения алгоритма управления. В свою очередь адаптивные
системы делятся:
- на робастые;
- экстремальные;
- самонастраивающиеся;
- самоорганизующиеся;
- обучающиеся.
Робастные системы - системы управления, обладающие свойством сохранять качество функционирования, в пределах предъявляемых к ней требований, при изменении ее параметров или структуры.
Робастная система управления должна так формировать закон
управления, который сохранял бы выходные переменные системы и
35
сигналы ошибки в заданных допустимых пределах, несмотря на наличие неопределённостей в объекте управления.
Два последних класса систем, обладающих способностью к
обучению и использованию человеко-машинного интерфейса в какой-то мере имитирует поведение человека, и поэтому часто называются интеллектуальными.
Изменение состояния системы можно производить за счет контролируемых изменений управляющих воздействий, параметров и
структуры системы. В экстремальных системах управления изменяются только управляющие воздействия для поддержания такого режима работы управляемого объекта, при котором достигается экстремальное (минимальное или максимальное) значение некоторого
критерия, характеризующего качество функционирования объекта.
Автоматическое устройство в этом случае, вырабатывающее управляющие воздействия на ОУ, называется экстремальным
регулятором.
Если структура алгоритма адаптивной системы не изменяется, а
изменяются только параметры алгоритма, то система называется само-
настраивающейся. Если изменяется структура алгоритма системы, то
такая система называется самоорганизующейся.
В обучающихся системах управления изменяются и управляющие воздействия, параметры и структура системы, алгоритм функционирования, а в случае самообучения и целевая функция. К ним
относятся интеллектуальные и экспертные системы управления.
Адаптивные системы управления используются, когда с помощью обычных систем не удается справиться с поставленной задачей.
Обычно это происходит, когда начальной (априорной) информации
об объекте управления недостаточно или характеристика объекта в
процессе функционирования системы изменяется непредвиденным
образом в широких пределах.
Структурная схема адаптивной системы управления включает
объект, регулятор и адаптор (рис. 19).
36
ОУ х
Рис. 19. Структура адаптивной системы управления
ОУ и регулятор Р, вырабатывающий управляющее воздействие
на объект, образуют основной контур. Регулятор содержит варьируемые параметры. Адаптор А на основе обработки доступной ему информации вырабатывает управляющее воздействие, производящее
подстройку варьируемых параметров регулятора. Регулятор совместно
с адаптором образуют адаптивный регулятор.
Адаптивная система управления имеет иерархическую структуру: она имеет минимум два уровня. Основной контур образует первый (низший) уровень, а контур, содержащий адаптор (контуром
адаптации) — второй уровень. Возможны три и больше уровней.
Адаптивная система управления называется поисковой, если в
нее для изучения объекта подаются специальные (поисковые) сигналы, и беспоисковой, если в систему никаких поисковых сигналов для
изучения объекта не подается. Среди поисковых систем широко распространены экстремальные системы. Отличительным признаком таких систем является наличие у статических характеристик их объектов управления явно выраженного экстремума. При этом положение
экстремума под влиянием различных факторов может меняться. Целью управления в экстремальных системах управления является подержание экстремума на их выходе. И для определения управляющих
воздействий, обеспечивающих движение к экстремуму, к управляющему сигналу добавляется поисковый сигнал.
Рассмотренные разновидности и свойства систем управления
являются основными, но не исчерпывают всего многообразия САУ.
37
8. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ
И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
8.1 Понятие математической модели
Проектируя систему управления химико-технологическим процессом, разработчик должен быть уверен, что в любой ситуации система будет действовать согласно предъявляемым требованиям, не
допуская возникновения или развития аварийных режимов. Поэтому
при проектировании и наладке система управления должна быть подвергнута всестороннему исследованию в различных режимах: нормальной эксплуатации, пусковых, останова оборудования, аварийных.
Самый достоверный способ проверки работоспособности системы управления – экспериментальные исследования на действующем оборудовании. Но это дорого и далеко не всегда возможно, особенно если речь идет о многовариантных исследованиях или исследованиях в аварийных режимах. Кроме того, такие данные необходимо иметь до ввода системы управления в эксплуатацию. В связи с
этим возникает необходимость проведения исследований на моделях
реальных объектов и систем управления.
Модель – это относительно упрощенный аналог реального объекта, созданный для изучения некоторых свойств оригинала.
Реальный объект бесконечно сложен в своих свойствах и проявлениях и недоступен для абсолютного познания. Поэтому при построении моделей сложных явлений принимают во внимание лишь
самое главное для цели исследования, отбрасывая множество несущественных деталей. В результате получается упрощенное, а потому
и пригодное для практического использования, представление реальности - модель.
По типу подобия различают физические и математические
модели.
Создаваемая модель может быть основана на физическом подобии процессов в модели и объекте оригинале. Например,
аналогом тепловых процессов в прямоточном котле могут служить процессы нагрева воды в одной трубе с наружным электрона-
38
гревателем. Применение физических моделей для химикотехнологических процессов затруднительно, так как объекты управления представляют собой в большинстве случаев сложные, многоагрегатных аппараты с разнообразными химическими и физическими
превращениями. Поэтому для отображения явлений в сложных системах применяют математические модели.
Математическая модель – это система математических соотношений (алгебраических, дифференциальных или интегральных
уравнений), отражающих физико-химические законы различных превращений в объекте.
Система уравнений связывает независимые (входные) и зависимые (выходные) величины объекта. Число таких уравнений должно
быть равно числу зависимых величин.
По способу получения математические модели делятся на расчетно-теоретические (аналитические), эмпирические и полуэмпирические.
В основе аналитических моделей лежат уравнения физико- химических законов (закона сохранения энергии, вещества, импульса и
т. д.). Коэффициенты этих уравнений включают в себя конструктивные и технологические параметры объекта и по этой причине аналитические модели наиболее полно раскрывают внутреннюю структуру
и сущность процессов в объекте, влияние отдельных параметров на
статические и динамические характеристики объекта.
Однако ряд коэффициентов уравнений аналитических моделей
может существенно отличаться от истинных в силу недостаточной
изученности или сложности их теоретического определения.
Пример.
Система регулирования температуры в теплообменнике TО представлена на рис. 20.
Жидкость с температурой T вытекает из теплообменника с некоторой скоростью и замещается жидкостью с температурой Ti, причем
Ti,< T. Температура жидкости в ТО повышается с помощью электрического нагревателя H. Смеситель С обеспечивает равномерное распределение
температуры по всему объему бака.
39
FTi
M
F
ТY
E/E
Н
++=
+,dt
ТО
С
ТС
ТE
ТТ
Рис. 20. Система регулирования температуры в теплообменнике. ТЕ - датчик
температуры; ТТ- преобразователь для дистанционной передачи сигнала;
ТС - регулятор; TY - усилитель сигнала; М - двигатель мешалки; ТО - теплообменник; Н - нагреватель; С - смеситель
В соответствии с законом сохранения энергии, количество тепла, поступающего в бак с жидкостью, должно равняться количеству тепла, уходящему из бака, плюс количество тепла, накопленного жидкостью в баке:
,
qqqqq
solie
где qe - тепловой поток от электрического нагревателя; qi - тепловой поток
втекающей жидкости; ql - тепловой поток жидкости в баке; qo - тепловой поток вытекающей жидкости; qs - тепловой поток через стенки бака;
dT
Сql=
где С - теплоемкость жидкости, являющаяся параметром системы.
Обозначая через V расход жидкости на входе и на выходе из бака
(считая их одинаковыми), через R сопротивление тепловому потоку через
поверхность бака, а через ТС температуру воздуха снаружи бака, через К удельную теплоемкость жидкости, мы можем записать
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]