технологических процессов

Автоматическое управление технологическими процессами исторически начиналось с контроля отдельных параметров (температуры, давления, влажности и др.) Следующим этапом было регулирование отдельными агрегатами. Затем шел этап управления сложными, многоагрегатными технологическими процессами.

С одной стороны, эта смена этапов сопровождалась ростом требований к управлению, с другой – развитием науки об управлении и созданием более совершенных технических средств автоматизации.

Затем наступил этап комплексной автоматизации, когда потребовалось согласование и увязка всех средств автоматизации в единую систему. Это стало возможным при использовании для решения задач управления такими системами электронных вычислительных машин (ЭВМ).

Сложность задач управления определяет высокую эффективность применения компьютерной техники. Причем определяющее значение имело изобретение микропроцессора. Главное в микропроцессорах – это их дешевизна, следовательно, широкая распространенность и доступность.

Применение микропроцессорной техники для решения задач управления на разных уровнях, начиная с управления технологическими процессами, должно стать мощным стимулом повышения эффективности производства.

Системы автоматического управления на базе ЭВМ способны не только объединить различные средства автоматизации в единую систему или комплекс средств, но и позволяют решать задачи оптимизации управления системами любого уровня. На основе ЭВМ функционируют адаптивные, самонастраивающиеся системы, которые способны подстраивать саму систему управления и ее элементы к изменяющимся условиям функционирования. Появился класс управляющих вычислительных машин с особой логикой и алгоритмами (программами) управления. Они относятся к группе малых ЭВМ (мини-ЭВМ).

На базе вычислительной техники (мини-ЭВМ, микропроцессорных устройств) создаются цифровые автоматические системы (ЦАС). Их преимущества:

- стабильность характеристик;

- высокая точность и разрешающая способность;

- возможность реализации сложных алгоритмов управления;

- возможность реализации управления очень медленными процессами;

- экономичность - одна ЭВМ способна обслуживать до 100 и более контуров регулирования;

- помехоустойчивость и др.

Цифровые автоматические системы на базе мини-ЭВМ

На базе мини-ЭВМ создаются централизованные ЦАС, в которых используются разнообразные периферийные устройства для связи с объектом управления и оператором.

Структурная схема ЦАС приведена на рис. 16.1. Объект управления ОУ, как некий сложный технологический процесс, характеризуется вектором (набором) параметров отражающих состояние ОУ и требующих поддержания на заданном уровне.

Оператор О может участвовать в процессе управления или влиять на него через станцию управления СУ, основное назначение которой - обеспечение сопряжения средств вычислительной техники с исполнительными механизмами и регуляторами.

В составе станции управления обычно имеется клавиатура, дисплей, телекоммуникационные устройства и другое вспомогательное оборудование.

Устройство ввода УВ содержит АЦП, преобразующий в цифровую форму аналоговые сигналы, поступающие от станции управления на вход мини-ЭВМ.

Устройство вывода УВВ содержит ЦАП и обеспечивает преобразование цифровой информации с выхода мини-ЭВМ в аналоговую.

Блок контроля параметров БКП обеспечивает измерение и преобразование вектора параметров объекта управления ОУ. В его состав входят необходимые датчики, преобразователи и усилители.

Рис.16.1 – Структурная схема ЦАС на базе мини - ЭВМ: О – оператор; СУ – станция управления; ИМ – исполнительный механизм; УВ – устройство ввода; УВВ – устройство вывода; ОУ – объект управления; Р – регулятор; БКП – блок контроля параметров; – вектор параметров процесса

Мини-ЭВМ, как основной элемент ЦАС, способна решать большое число задач управления. Однако для создания ЦАС на базе мини-ЭВМ и обеспечения ее функционирования требуется разработка сложных операционных систем и нужны специальные языки программирования.

Микропроцессорные ЦАС

Строятся на базе микропроцессоров и представляют собой микро-ЭВМ со всеми необходимыми для процесса регулирования устройствами. Микропроце́ссор – устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде. Реализуется в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких специализированных микросхем.

Функции основных элементов микропроцессорной ЦАС аналогичны ЦАС, построенной на базе мини-ЭВМ (Рис. 16.2). По сравнению с ЦАС на мини-ЭВМ микропроцессорные ЦАС дешевле и надежнее. Их легче резервировать: сокращается длина коммуникаций за счет приближения к объекту регулирования.

На базе микропроцессоров строятся децентрализованные ЦАС, которые более просты и более надежны в эксплуатации чем многофункциональные ЦАС, построенные на базе мини-ЭВМ. За счет связи с другими системами микропроцессорные ЦАС могут входить в состав больших АСУТП и АСУП.

Микропроцессорные ЦАС все чаще реализуются в виде программируемых логических контроллеров (ПЛК).

ПЛК – это компьютер на одной микросхеме. Предназначен для управления различными электронными устройствами и осуществления взаимодействия между ними в соответствии с заложенной в него программой. В отличие от микропроцессоров, используемых в персональных компьютерах, ПЛК содержат встроенные дополнительные устройства (устройства памяти, порты ввода/вывода, интерфейсы связи, таймеры, системные часы и др., см. п.12). Эти устройства выполняют свои задачи под управлением микропроцессорного ядра ПЛК. Встроенные устройства обладают повышенной надежностью, поскольку они не требуют никаких внешних электрических цепей.

Наибольшее распространение ПЛК получили во встроенных системах контроля управления. Главной причиной их популярности служит тот факт, что они являются практически полностью готовыми вычислительными устройствами, не требующими для своей работы дополнительного оборудования. Кроме того, возможность программировать работу ПЛК позволяет реализовывать достаточно сложные электронные устройства, в которых большая часть функций (иногда до 90%) реализуется программно. Эти устройства экономичны по питанию, имеют малые габариты и вес, обладают высокой эксплуатационной надежностью. В виду невысокой стоимости и небольших габаритов их достаточно просто резервировать.

ПЛК можно встретить в большом количестве современных промышленных и бытовых приборов: в станках и агрегатах поточных линий, в автомобилях, в телефонах и телевизорах, в холодильниках, в стиральных машинах и т. д.

Рис. 16.2 – Структурная схема ЦАС на микропроцессоре: МП – микропроцессор; ОЗУ – оперативное запоминающее устройство; ПЗУ – постоянное запоминающее устройство; ППЗУ – перепрограммируемое запоминающее устройство; О – оператор; СУ – станция управления; УВ – устройство ввода; УВВ – устройство вывода; БКП – блок контроля параметров; Р – регулятор; ИМ – исполнительный механизм; ОР – объект регулирования; - вектор параметров процесса

16.3 САУ при неполной начальной информации

При рассмотрении систем автоматического управления (САУ) и систем автоматического регулирования (САР) предполагалось, что они функционируют в условиях, когда все необходимые параметры и характеристики (статическая, динамическая) ОУ и вектор параметров возмущающих воздействий известны. Такие системы относятся к системам с полной начальной информацией. Они, как известно, описываются линейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами и с конкретными начальными условиями.

На практике возможны случаи, когда не все параметры и характеристики ОУ и заданы. Они могут также изменяться во времени. Для управления такими объектами необходимы САУ с неполной начальной информацией. Они бывают адаптивными (самонастраивающимися), самоорганизующимися и самообучающимися.

Адаптивные САУ используют принцип изменения параметров и структуры самой системы. К таким САУ относятся системы экстремального управления (СЭУ), или иначе – экстремально-поисковые системы (ЭПС).

Рассмотрим некоторые особенности функционирования ЭПС. В общем случае задача такой системы состоит в поддержании экстремального (максимального или минимального) значения параметра ОУ y(t) на требуемом уровне вне зависимости от условий его функционирования. Структурная схема ЭПС включает устройство автоматического поиска экстремума (УАПЭ) (рис. 16.3). В простейшем случае регулирования одного параметра y = f(x) - одномерный вариант, в УАПЭ могут использоваться различные алгоритмы поиска экстремума.

Способ производной основан на использовании изменения знака производной параметра y(t) при изменении управляющего сигнала x(t) при переходе точки в интервале (х₁, х₂) (см. Рис.16.4, а). Сравнивая значения (выборки) производной dy/dt на границах интервала (х₁, х₂), можно однозначно определять местонахождение экстремума функции y(t).

Формирование выборок способом модуляции параметра х(t) осуществляют путем принудительного изменения (модуляции) величины в интервале от х₁ до х₂. (Рис. 16.4). Это технически можно реализовать, например, путем добавления к управляющему сигналу гармонического колебания с амплитудой Dх. Модулированный сигнал будет иметь вид:

x_м (t) = x(t)+ Δx sinω t.

Рис. 16.3 – Структурная схема ЭПС: ЗП – задатчик параметра x(t); Р – регулятор; ОУ – объект управления; УАПЭ – устройство автоматического поиска экстремума; И – измеритель; x(t) - управляющий сигнал; y(t) – выходной параметр; – вектор параметров возмущающих воздействий; y1(t) – измеренное значение выходного параметра; v(t) – сигнал на коррекцию управляющего сигнала; z(t) –сигналуправлениярегулятором; u(t) – управляющее воздействие

В процессе работы адаптивной САУ, в которой используется принцип экстремального управления, в УАПЭ может формироваться сигнал v(t) для коррекци управляющего сигнала x(t) взадатчике параметра ЗП и сигнал z(t) управлениярегулятором Р (см. Рис. 16.3). В зависимости от назначения адаптивной САУ, эти операции могут осуществляться совместно или какая-то одна из них.

Рабочая точка на характеристике y = f(x) будет менять свое положение в пределах изменения сигнала x(t) от (х₁ – Δx) до (х₁ + Δx) (Рис. 16.4, б). Амплитуду Δx выбирают так, чтобы получить изменение выходного параметра y в допустимых пределах.

Самоорганизующиеся САУ функционируют на основе изменения своей структуры по сигналам ЭВМ, входящей в САУ. За счет выбора оптимальной для текущих условий структуры схемы САУ (набора элементов схемы и связей между ними) обеспечивается получение экстремума регулируемого параметра.

Рис.16.4 – Принцип нахождения экстремума в УАПЭ: а) – способ дифференцирования; б) – модуляция параметра х(t)

Для самообучающихся САУ характерным является постоянное преобразование и совершенствование структуры самой САУ и алгоритма ее функционирования. Цель этого процесса – оптимизация автоматического управления в изменяющихся условиях.

Благодаря быстрым темпам развития электроники и вычислительной техники возможно создание САУ любых видов.

16 4 Автоматизация дискретных технологических

процессов

Характеристики дискретных технологических процессов