Примеры задач управления процессами
В этом разделе на примерах проиллюстрированы основные типы задач, встречающиеся при управлении процессами. Вначале обсуждается, что в общем случае требуется для управления, а затем рассматриваются проблемы, присущие техническим процессам
Управление последовательностью событий и бинарное управление
Простой химический реактор, представленный на рис. 1.7, — пример системы управления последовательностью событий. В химическом реакторе реагенты перемешиваются с помощью смесителя. Входные потоки реагентов и выход продукта регулируются входными клапанами А и Б и выходным клапаном В, соответственно. Уровень давления в баке контролируется датчиком Д, а температура — датчиком Т. Температура регулируется горячей или холодной водой, подаваемой в окружающий бак кожух; потоки воды регулируются клапанами Г (горячо) и X (холодно)
Рис.1.7 Простой химический реактор с регулированием температуры
В этом примере в реакторе выполняются следующие операции:
Открыть клапан А и залить в бак реагент 1.
Если датчик давления Д показывает, что достигнут требуемый уровень, то закрыть клапан А.
Запустить смеситель.
Открыть клапан Б и залить в бак реагент 2.
Если датчик давления Д показывает, что достигнут новый требуемый уровень, то закрыть клапан Б.
Открыть клапан Г для нагрева бака.
Если датчик Т показывает, что достигнута требуемая температура, то закрыть клапан Г.
Установить таймер на время протекания химической реакции.
При срабатывании таймера — время реакции истекло — остановить смеситель. 10. Открыть клапан X для охлаждения бака
Проверить температуру в баке. Если температура упала ниже заданного пре дела, то закрыть клапан X и открыть клапан В для опорожнения бака.
Закрыть клапан В. Повторить все этапы с самого начала.
Многие системы предназначены для управления очередностью выполнения операций, которая зависит от некоторых логических условий, как в приведенном примере. Входные и выходные данные системы являются бинарными в том смысле, что датчики контролируют два состояния или граничное значение, например, клапан открыт или закрыт, индикатор сработал или нет, кнопочный выключатель нажат или отжат и т. д.; и команды управления имеют аналогичный формат — запустить/остановить двигатель, включить/отключить нагреватель и т. п.
Если задача управления основана только на бинарной логике, то, очевидно, что решать ее удобнее и проще цифровыми средствами. Существуют так называемые программируемые логические контроллеры, специально созданные для решения таких задач.
Пример Простой контур управления — регулятор температуры
Рассмотрим бак, заполненный жидкостью, температура которой должна поддерживаться постоянной (рис. 1.8). Все сигналы в этом примере — аналоговые, т. е. изменение температуры отслеживается непрерывно, в отличие от предыдущего примера, где проверялось лишь превышение порогового значения, а подача тепла может регулироваться плавно
Рис.1.8 Простая система регулирования температуры
Температура измеряется датчиком, выходное напряжение которого пропорционально текущей температуре (пропорциональная зависимость существует как минимум в интересующем диапазоне температур). Измерения периодически, например каждую секунду, поступают в компьютер, и текущее значение температуры сравнивается с требуемым (опорным), которое хранится в памяти компьютера. Величина нагрева или охлаждения рассчитывается по разности между опорным и измеренным значениями (рис. 2.9).
В зависимости от исполнительного механизма — устройства, непосредственно влияющего на процесс, — меняется вид управляющего сигнала, подающегося на его вход. Температуру можно регулировать с помощью нагревателя, периодически включаемого на заданный интервал времени, "или использовать теплообменник, соединенный с трубопроводами пара и холодной воды. В первом случае управляющим действием является момент включения нагревателя; во втором — регулирование осуществляется за счет открытия или закрытия клапанов трубопроводов пара и охлаждающей жидкости
Рис.1.9. Простой контур управления – система регулирования температуры
Регулятор температуры демонстрирует некоторые основные свойства контура управления. Температура должна измеряться с частотой, определяемой постоянной времени процесса. Если теплоемкость бака велика, то постоянная времени имеет относительно большое значение. Наоборот, если объем бака небольшой, а нагреватель мощный, то постоянная времени процесса мала и система управления должна достаточно часто измерять температуру и включать или отключать нагреватель. Таким образом, при проектировании цифровой системы управления должны быть учтены основные динамические характеристики процесса. Соответствующие алгоритмы регулирования будут изложены в главе 6.