II. Общие сведения об автоматических системах управления химическими производствами.
Технологический процесс – совокупность технологических операций, проводимых над исходным сырьем в одном или нескольких аппаратах с целью получения продукта, обладающего заданными свойствами.
Технологический процесс, реализованный на соответствующем технологическом оборудовании, называют технологическим объектом управления (ТОУ).
Процессы химической технологии, с точки зрения задач управления, представляют собой динамические системы, поведение которых во времени определяются текущими значениями ряда характерных величин – расхода, протекающих через аппараты веществ, их температуры, давления, концентрации и т.д. При штатном протекании процесса эти величины имеют определенные, так называемые номинальные значения.В силу ряда внешних причин,к которым относятся изменения состава и расхода сырья, изменение параметров химического процесса и т.д. и явлений, протекающих в самом аппарате, указанные величины могут отклоняться от номинальных значений. Это приведет к нарушению процесса, и как следствие, снижению качества, количества получаемой продукции и преждевременному износу оборудования. Чтобы избежать этих негативных последствий, процессом необходимо управлять.
Управление каким-либо объектом – это процесс воздействия на него с целью обеспечения требуемого течения процессов в объекте или требуемого изменения его состояния. Основой управления является получение и обработка информации о состоянии объекта и внешних условиях его работы в каждый момент времени для определения воздействий, которые необходимо применить к объекту, чтобы обеспечить достижение цели управления. Управление количественно оценивается величиной критерия качества (показателя качества). Критерии могут иметь технологическую или экономическую природу (производительность технологической установки или себестоимость продукции и др.).
|
|
|
Устройство, с помощью которого осуществляется автоматическое управление объектом, называется управляющим устройством (устройство управления УУ). УУ может представлять собой целую систему и даже комплекс.
Совокупность объекта управления и управляющего устройства образует систему автоматического управления (САУ).
Рисунок 2
Состояние объекта характеризуется выходной величиной y(t). Если выходных величин несколько, то состояние объекта характеризуется вектором Y, координатами которого являются отдельные выходные величины. К выходным величинам относятся температура вещества, его уровень в аппарате, давление, концентрация, влажность и др. От управляющего устройства на вход объекта поступает управляющее воздействие (управление) u(t). Помимо управляющего воздействия к объекту приложено также возмущающее воздействие (возмущение, помехи) f(t), которое изменяет состояние объекта, препятствуя управлению. Величины управляющего воздействияu(t)и возмущающего воздействияf(t)относятся к входным величинам.
|
|
|
В химической технологии под входными величинами понимают изменение расхода вещества, его состава, количества подаваемого тепла и т.п.
Таким образом, состояние объекта в каждый момент времени определяется значениями выходных величинy(t). Для нормального функционирования объекта они должны поддерживаться на определенном заранее заданном значении 
.
Во время работы выходные величины отклоняются от заданных значений под действием возмущений 
и появляется рассогласование между текущими 
и заданными 
значениями выходных величин объекта. Если при наличии возмущений объект самостоятельно устраняет возникающее рассогласование, равное 
, то он не нуждается в управлении. Если же объект не обеспечивает выполнения условий нормальной работы, то для нейтрализации влияния возмущений на него налагают управляющее воздействие 
, изменяя с помощью исполняющего устройства материальные или тепловые потоки объекта.В общем случае на вход управляющего устройства (УУ), помимо задающего воздействия , поступает информация о текущем состоянии объекта в виде выходной величины и о действующем на объект возмущении . Управляющее устройство перерабатывает получаемую информацию по определенному заложенному в нем алгоритму (правилу) и информирует управляющее воздействие . Основные составные части управляющего устройства САУ: чувствительное устройство (ЧУ), вычислительное устройство (ВУ) и исполнительное устройство (ИУ).
|
|
|
Чувствительные устройства – датчики- служат для определения значений переменных Y, Z, U. Переменные X, Z, X в общем случае так же являются векторами, как иY.
Таким образом, в процессе управления на вход объектапоступает управляющее воздействие. Помимо управляющего воздействия к объекту приложено также возмущающее воздействие, которое изменяет состояние объекта, препятствуя управлению.На вход управляющего устройства подается задающее воздействие (задание), содержащее информацию о цели управления, т.е. о требуемом значении выходной переменной.
Управление может быть ручным, автоматизированным или автоматическим.
|
|
|
Для наглядного пояснения, рассмотрим пример, предложенный А.Ю. Ощепковым (1): мы видим лошадь и хотим как можно больше узнать об этом, поразившем наш взгляд, животном. Узнать о заинтересовавшем нас объекте можно многими способами – книги, интернет, рассказы специалистов и т.д. Таким образом, лошадь является объектом изучения. Дальше мы решили на ней прокатиться и сели на лошадь.
Рисунок 3
Теперь конь для нас не объект изучения, а объект управления. Повод в руке всадника – управляющее устройство, взгляд всадника – датчик направления движения, руки реализуют обратную связь, заставляя объект двигаться в нужном направлении с заданной скоростью.
Система управления в упрощенном виде выглядит так:
Рисунок 4
Для передачи информации используется электрический ток, воздух (пневматические системы), жидкость (гидравлические системы) и компьютерные сети. Взаимосвязанные элементы – это уже система, которая обладает определенными свойствами, присущими только ей. И если бы на объект не действовала окружающая среда – внешние возмущения, которые носят случайный характер, то задача автоматизации решалась бы проще.
Также необходимо учитывать, что все датчики измеряют параметры с некоторой погрешностью (шумы измерений), поэтому для достижения оптимальных результатов используют различные типы регуляторов.
Частным случаем управления является регулирование.
Регулированием называют поддержание выходных величин объекта вблизи требуемых постоянных или переменных значений с целью обеспечения нормального режима его работы посредством подачи на объект управляющих воздействий, другими словами регулирование – это стабилизация технологического параметра около заданного значения с некоторой точностью. Объект, физическая величина которого регулируется, называется объектом регулирования.
Автоматическое устройство, обеспечивающее поддержание выходных величин объекта вблизи требуемых значений, называется автоматическим регулятором, а выходная величина– регулируемой величиной.
В наше время в мире насчитывается огромное количество различных автоматических систем, их число с каждым годом постоянно увеличивается. И все они требуют качественного оптимального управления, принципы которого на стадии проектирования должен заложить в них разработчик. Ведь умный дом нагревает комнату до желаемой температуры не потому, что он внезапно чудесным образом поумнел, а вертолет так лихо летает не из-за того, что в нем где-то спрятана магия! Магии здесь никакой нет, во всем виновата теория автоматического управления или просто ТАУ.
Чтобы дом нагревал, а вертолет летал, во-первых, нужно иметь информацию об их состоянии в данный момент и об условиях окружающей среды. Дому полезно будет знать температуру в помещении, для вертолета актуальными данными могут быть положение в пространстве и высота. Все это собирается определенным типом устройств, называемых датчиками или сенсорами. Сегодня на рынке представлено множество типов датчиков: датчики температуры, давления, влажности, тока, напряжения, скорости, ускорения, магнитного поля и многие другие.
Далее полученные данные с датчиков нужно как-то обработать, и этим занимаются регуляторы. Регулятор представляет собой какое-либо математическое выражение, запрограммированное в контроллере (или спаянное на операционных усилителях, резисторах и конденсаторах), которое на основании информации об управляющем воздействии (задании от пользователя) и данных с датчиков формирует сигнал для оптимального управления рабочим органом (нагревательным элементом, двигателем и т.п.).
Существуют замкнутые и разомкнутые системы.У разомкнутых систем нет датчиков или иных инструментов, сообщающих информацию о внешнем мире. Они предельно просты и для управления сложными объектами практически не пригодны, поскольку нужно досконально знать весь объект, изучить и описать его поведение во всевозможных ситуациях. Поэтому такие системы не являют собой комплексные агрегаты и в основном управляются по времени. В качестве примера можно отметить простейшее устройство поливки цветов по таймеру.
Рисунок 5
В этом случае регулятор не получает никакой информации о реальном состоянии объекта, следовательно, мы должны заранее знать, как этот объект себя ведет в этих условиях. Тогда можно заранее рассчитать, как нужно управлять этим объектом и составить нужную программу управления. Однако при этом трудно гарантировать, что задание будет выполнено. Такие системы называют разомкнутыми системами (рисунок 5) или системами программного управления.
В отличие от разомкнутых систем взамкнутыхсистемахрегулирования информация как бы ходит по кругу. Регулятор использует информацию о состоянии объекта для выработки сигнала управления и выдает сигнал управления на привод, который воздействует непосредственно на объект, после чего информация об объекте через датчики возвращается обратно к регулятору.
В замкнутых системах обратнаясвязьформируется с помощью датчика.
Рисунок 6
Пример таких систем: информационное табло, система управления двигателем, в котором не нужно точно поддерживать частоту вращения.
Системы, использующие совместные принципы регулирования называются комбинированными(рисунок 7).
Рисунок 7
В них влияние основного возмущения нейтрализуется регулятором, работающим по принципу возмущения (компенсатор возмущения), а влияние других возмущений – регулятором, реагирующим на отклонение текущего значения регулируемой величины от заданного значения.Все вместе образует систему управления с обратной связью.
Регулятор это - полнофункциональное, конструктивно оформленное в виде отдельного блока физическое устройство. Это устройство имеет вход для получения сигнала с датчика управляемой величины объекта управления, выход для подачи сигнала управления на исполнительный механизм САР, пульт для задания человеком-оператором требуемого поведения САР или систему связи с компьютером, управляющим технологическим процессом. Наконец, такой физический регулятор имеет устройство, вырабатывающее сигнал управления на основе задания, текущего значения управляемой величины и, если необходимо, возмущения, и заданного алгоритма обработки этих сигналов. Многие технические регуляторы реализуются на основе микроконтроллеров. Кроме того, бывает, что в состав технического регулятора включают и исполнительный механизм (ИМ), и регулирующий орган (РО). Такой регулятор достаточно подключить к объекту управления, чтобы получилась САР.
Автоматические регуляторы классифицируют:
1) по принципу регулирования: по отклонению, по возмущению, по отклонению и возмущению;
Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 641; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!