Объекты управления.

1. Общие сведения об объектах управления.

В общем случае термин «объект управления» означает систему (техническую, биологическую, социальную), в которой протекает управляемый процесс.

В качестве материально осязаемых объектов управления могут выступать: деталь, станок, паровой котел, двигатель, автоматическая линия, прокатный стан, доменная печь, корабль, буровая установка, железнодорожная сортировочная точка, производственный участок, служащий и многие другие.

Примерами неосязаемых (абстрактных) объектов управления могут служить название работы, технологического процесса, структурного подразделения, реклама и многие другие.

В большинстве случаев объект управления можно представить обобщенной схемой, изображенной на рис. 1.

- управляющее воздействие, задающее качественные показатели и количественные характеристики управляемому процессу.

- детерминированные и случайные возмущающие воздействия, нарушающие ход управляемого процесса в нежелательном направлении.

- выходная величина системы (управляемая переменная), желаемое значение или состояние которой достигается в процессе управления.

Пользуясь методологией системного анализа, объект управления можно рассматривать как систему, в которой необходимо управлять энергетическими и (или) информационными потоками, пространственными координатами, количеством и качеством материальных потоков и т.д.

В любом объекте существует определенная функциональная зависимость выходных величин объекта от управляющих и возмущающих воздействий, т.е.

, (1)

где - оператор управления.

Основная задача управления объектом состоит в том, чтобы, исходя из цели автоматизации и физической природы объекта, возможно точнее определить и синтезировать технические средства для реализации этой цели.

Наиболее сложной задачей является определение оператора управления, так как это непосредственно связано с получением необходимой априорной (начальной) информации об объекте, т.е. для этого необходимы количественные характеристики и качественные показатели объекта. Для получения таких характеристик объекта проводится их математическое описание (идентификация) и классификация. Необходимо отметить, что по некоторым вопросам классификации и идентификации объектов пока нет общепринятых концепций и установившейся терминологии, поэтому в дальнейшем придерживаются методологии системного подхода, получившего развитии в АСУ ТП.

2. Классификация объектов управления.

Системный подход к проблеме классификации объектов позволяет сравнительно четко выделить несколько основных классификационных признаков, позволяющих раскрыть внутреннюю структуру объекта и его связи (рис. 2). По внешним связям объекта со средой, т.е. по количеству входных и выходных величин, объекты делятся на одномерные (имеющие одну входную и одну выходную величину) и многомерные (имеющие несколько входов и выходов). Примером одномерного объекта может служить электрический двигатель постоянного тока, у которого частота вращения якоря (при постоянном моменте нагрузки) приблизительно однозначно связана с подводимым к якорю напряжением.

Рис. 2. Классификация объектов управления.

Многомерные объекты, как правило, представляют собой многосвязанные системы, в которых имеется несколько регулируемых величин, связанных между собой в том смысле, что изменение какой-либо из них вызывает изменение других.

Характерными примерами объектов многосвязанного регулирования могут служить: паровой котел, где регулируемыми величинами являются температура, давление пара и уровень воды; турбореактивный двигатель, в котором регулируются скорость вращения и температура газа на выходе турбины. В данных примерах корреляция (взаимовлияние) между отдельными регулируемыми величинами обусловлена естественными (внутренними) свойствами объектов. Более сложная задача многосвязанного регулирования возникает при автоматизации производственных процессов. Взаимовлияние между отдельными регулируемыми величинами в этой группе, как правило, обусловлено технологическими факторами. Примером здесь могут служить системы автоматического управления частотой вращения электроприводов валков и зазором между ними в станах холодной и горячей прокатки. Обе эти системы управления связаны между собой через прокатываемую полосу, образую сложную многосвязанную систему.

К многомерным системам также могут быть отнесены энергосистемы, ректификационные колонны в нефтехимической и газовой промышленности и многие другие. Не будет преувеличением утверждение, что теория многосвязанного регулирования является теоретической основой при автоматизации многих производственных и технологических процессов.

Внешние связи объектов со средой могут иметь различную физическую природу, обусловленную внутренней структурой объекта. Причем связи могут быть односторонними и двусторонними. Для подавляющего большинства реальных объектов характерны двусторонние информационно-энергетические связи или информационные связи с материальными потоками, так как в процессе любого управления объектом необходим информационный обмен между устройством управления и объектом для управления энергетическими или материальными потоками в самом объекте. Внутренняя структура объектов раскрывается при изучении этих элементов и описывающих эти элементы количественных соотношений. Параметры (от греч. parametron – отмеривающий) элементов системы характеризуют основные свойства этих элементов (например, сопротивление, индуктивность, емкость, коэффициент усиления, теплоемкость, инерционное запаздывание, момент трения, момент инерции и т.д.).

По типу параметров объекты делятся на объекты с сосредоточенными и с распределенными параметрами. Большинство технологических объектов имеют распределенные параметры (теплообменные агрегаты, теплоэнергетические установки, аппараты химической промышленности и другие). Однако для целей более простого математического описания распределенностью их параметров иногда пренебрегают и рассматривают приближенно, как объекты с сосредоточенными параметрами. Данный подход справедлив далеко не всегда, так как есть группа объектов, которые всегда необходимо рассматривать как объекты с распределенными параметрами. К таким объектам относятся: железнодорожная сортировочная горка, производственный участок, экологическая система, нефтеносный пласт и другие.

По типу параметров все объекты делятся на стационарные и нестационарные. Условия объектов часто оказываются крайне неблагоприятными: смена окружающей температуры, давления, влажности, колебание питающего напряжения и т.д. Все это приводит к дрейфу параметров объекта (временному, температурному и случайному). Поэтому практически все объекты обладают нестационарными параметрами. Однако если на определенном интервале наблюдения параметры объекта не выходят за пределы допустимых значений, то объект приближенно можно рассматривать со стационарными параметрами. Интервал наблюдения и допустимые значения отклонения параметров определяются конкретными условиями, исходя из целей автоматизации.

За основу классификации могут быть взяты количественные отношения между элементами объекта и между объектом и внешней средой, описываемые различными уравнениями (алгебраическими, дифференциальными и т.д.), позволяющие проводить математический анализ физических явлений в объекте.

По типу дифференциальных уравнений, описывающих количественные соотношения в объектах, последние делятся на линейные и нелинейные. Объект можно считать линейным, если в нем существует однозначная пропорциональная (линейная) зависимость выходных величин от управляющих и возмущающих воздействий, т.е. «» в формуле (1) представляет собой линейную функцию или функционал. В природе линейных объектов не существует. Все объекты нелинейные, так как имеют зоны нечувствительности, зоны насыщения, неоднозначность (гистерезис) и т.д. Однако в ряде случаев объект можно рассматривать в линейном приближении, применяя соответствующие правила линеаризации. Допустимость линеаризации объекта определяется конкретными условиями его работы (например, при малых отклонениях на линейном участке характеристики).

В основе классификации объектов могут лежать причинно-следственные связи между окружающей средой и объектом и между его элементами. Благодаря этим связям происходит процесс передачи во времени информации, энергии, вещества от одного элемента объекта к другому или от окружающей среды к объекту и наоборот. В реальных объектах выявление причинно-следственных связей представляет большие трудности, так как процессы и явления, например в многосвязанные объектах, зависят от многих причин в разной степени, а сами следствия могут выступать как причины, воздействующие на явления, которые в прошлом были причиной появления их самих. Частных случаем причинно-следственных связей в технике являются переходные процессы, представляющие собой реакцию объектов управления на ступенчатые входные управляющие или возмущающие воздействия. По характеру протеканию переходных процессов объекты делятся на устойчивые (с самовыравниванием), нейтральные и неустойчивые.

В устойчивых объектах при подаче на их вход ступенчатого управляющего сигнала выходная величина с течением времени стремится к установившемуся значению (нагреватели; теплообменные агрегаты; двигатели, если за их выходную величину принята частота вращения ротора; электрические цепи ,,и многие другие). Отличительной особенностью этих объектов является то, что после снятия входного воздействия их выходная величина возвращается к прежнему или близкому к нему значению.

В нейтральных объектах после приложения ступенчатого входного сигнала выходная величина неограниченно возрастает во времени, а после прекращения входного сигнала никогда не возвращается к прежнему значению, принимая новое установившееся состояние. Примерами таких объектов являются объекты, обладающие интегрирующими свойствами (суммирование и запоминание). К ним относятся: резервуары, если за их выходную величину принят объем жидкости; двигатели, если за их выходную величину принят угол поворота ротора; интегрирующие активные и пассивные - цепи; и другие.

В неустойчивых объектах после приложения ступенчатого входного воздействия выходная величина неограниченно возрастает во времени, а после снятия входного воздействия продолжает неограниченно возрастать. Примерами таких объектов могут служить устройства, в которых протекают лавинообразные процессы или цепные реакции (аппараты химической промышленности с лавинообразными цепными реакциями, энергосистема в неустойчивых режимах и другие).

Существуют и другие классификационные признаки, взятые за основу при классификации объектов автоматизации. Например, по наличию исходной (априорной) информации можно выделить следующие группы объектов:

• уравнения, описывающие их, полностью известны (вплоть до значения коэффициентов);

• вид описывающих их уравнений известен, а численные значения коэффициентов – нет;

• конкретный вид уравнений и численные значения параметров неизвестны, но имеется некоторая априорная информация (например, объект линеен);

• относительно которых отсутствуют какие-либо априорные сведения (объект типа «черный ящик»).

Из краткого перечня классификационных признаков видно, что каждый признак в отдельности раскрывает только одно какое-либо свойство объекта и не может служить его полной характеристикой. Зачастую, в процессе классификации сложных объектов автоматизации, оказывается трудно четко разграничить их отдельные признаки. В этом случае необходимо исходить из целей автоматизации и определения тех данных (характеристик) объекта, которые необходимы для определения оператора управления. В качестве примера ниже приводится классификация некоторых типов объектов автоматизации.

Первый объект - электрический двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением, с якорным управлением и глубоким регулированием частоты вращения. Изучения статических, электромеханических, переходных характеристик двигателя, его свойств, конструкции и условия работы позволяют весьма приближенно рассматривать его как линейный устойчивый одномерный стационарный объект с сосредоточенными параметрами.

Второй объект – ректификационная колонна для разделения многокомпонентной смеси. Для определения оптимального оператора управления всестороннее изучение статических, динамических, эксплутационных и экономических характеристик колонны позволяет приближенно рассматривать ее как нелинейный устойчивый многосвязный объект с распределенными параметрами.

В заключение необходимо отметить, что существенную помощь в классификации объектов оказывает их математическое описание.