Объектами и процессами

Любой производственный процесс состоит из отдельных простых действий, сочетаемых в определённом порядке во времени и пространстве. Одни действия совершаются одновременно (параллельно), другие – следом одно за другим (последовательно), третьи частично параллельно, частично последовательно (параллельно – последовательно). Среди этих действий имеются операции чисто технического характера (ручные и механизированные), управление которыми и сочетание которых осуществляется другими операциями. Поэтому в производственном процессе можно различать простые, или единичные, рабочие процессы (которого нельзя разложить на ещё более простые) и операции управления процессом (в широком смысле слова).

Обычная схема управления сводится к следующему: наблюдается (контролируется) состояние процесса и по результатам этого наблюдения (т.е. по полученной рабочей, контрольной информации) вырабатываются и осуществляются надлежащие операции управления (воздействия).

Каждый единичный производственный процесс может быть представлен простой, или единичной, цепью воздействий вне зависимости от физической природы этого воздействия. Единичный производственный процесс может быть пассивным или активным. Различие между ними заключается в том, что пассивный процесс не содержит в себе источников энергии. Технологические процессы гораздо чаще бывают пассивными.

Собственные свойства каждого процесса характеризуются совокупностью некоторых физических величин, присущих ему и определяющих его, например, массой, ёмкостью, моментом инерции, теплоёмкостью и т.д. Если эти физические величины не изменяются во времени, то процесс называется стационарным. Если его динамические свойства (т.е. поведение во времени под влиянием воздействий) описываются линейными дифференциальными уравнениями, то процесс называется линейным; в противном случае процесс называется нелинейным.

Любой сложный технологический процесс, как указывалось, может быть расчленён на единичные, связанные между собой процессы. Следовательно, в задачу управления технологическим объектом (ТОУ) входит:

o управление всеми его единичными процессами;

o принудительное связывание их между собой в составной процесс.

Рассмотрим вопросы, относящиеся к управлению единичным процессом. Его состояние как объекта управления в каждый момент времени может определяться не только собственными (определяющими) свойствами (постоянными для стационарных объектов), но ещё и некоторыми физическими величинами. Они имеют самую различную природу и называются параметрами режима объекта, или обобщёнными координатами. Такие обобщённые координаты называются существенными параметрами, или существенными обобщёнными координатами процесса.

Во многих случаях обобщённые координаты функционально связаны между собой. Количество независимых обобщённых координат, полностью характеризующих состояние процесса (с достаточной для инженерных расчётов точностью), определяет его число степенью свободы. Следовательно, число степеней свободы процесса меньше общего числа обобщённых координат на число уравнений функциональной связи между ними.

При всём многообразии технологических процессов можно выделить сравнительно немного типов единичных процессов, сочетания которых создают, кроме химических и биологических обработок, важнейшие рабочие процессы многих производств:

o механические: поступательное перемещение, вращательное движение;

o тепловые и диффузионные: нагревание и охлаждение, сушка и увлажнение (удаление и поглощение сорбента и растворителя), выпаривание, растворение и осаждение из суспензии;

o пневмогидравлические: заполнение ёмкости жидкостью или газом и её опорожнение.

Рассмотрение этих единичных процессов показывает, что в подавляющем большинстве случаев они достаточно полно характеризуются двумя обобщёнными координатами (параметрами).

Например, для поступательного перемещения такими параметрами являются линейная скорость и результирующая сила, для вращательного движения – угловая скорость и результирующий момент. Нагревание и охлаждение вещества достаточно полно характеризуется его температурой и результативным подводом (отводом) Темпла; сушка и увлажнение – влажностью вещества и удалением (поступлением) влаги; выпаривание – концентрацией растворённого вещества и парообразованием, а растворение и осаждение – концентрацией раствора и поступлением (удалением) растворённого вещества.

Обычно одна обобщённая координата является внутренним показателем режима. Это, например, температура при нагревании, уровень жидкости для гидравлической ёмкости, концентрация для раствора, давление газа для пневматической ёмкости, скорость при движении и т.п. Другая характеризует величину результативного потока энергии или вещества (приход или отвод тепла, поступление или удаление жидкости, парообразование, подача или расход газа, движущая сила, вращающий момент и т.д.). Таким образом, в процессах, характеризуемых двумя обобщёнными координатами, первая является как бы качественной характеристикой режима (выходной координатой), вторая - количественной, энергетической (входной координатой). Изменение количественной характеристики влечёт за собой закономерные изменения и качественные показатели.

Таким образом, наличие функциональной связи между двумя параметрами единичного процесса позволяет, изменяя один из них – входной (входное воздействие), управлять, изменением другого – выходного – в виде реакции на входной параметр. Изменяемый первично параметр (входной) называется управляющим, или регулирующим. Он приводит к изменению другого (выходного) – регулируемого – параметра управляемой величины.

В более сложных случаях часто нужно учитывать не один, а два и более независимых выходных параметров. Например, при нагревании влажного воздуха приходится считаться с изменением как его температуры, так и влагосодержания. Входных воздействий также можно быть не одно, а два и более. В этих случаях, т.е. когда выходных и входных координат больше, чем по одной, процесс называется многомерным.

Управление единичным процессом сводится к трём основным задачам:

o распоряжение хронологией течения процесса (пуск-прекращение);

o распоряжение направления процесса (вперёд-назад, вверх-вниз, по часовой стрелке - против часовой стрелки, нагревание-охлаждение, втекание-вытекание, заполнение - опорожнение и т.п.);

o распоряжение режимом процесса, т.е. совокупностью его существенных координат (например, движение с заданным законом изменения скорости, нагревание с заданным температурным графиком, поддержание постоянства одно или нескольких существенных координат и т.д.).

Поскольку выходная и входная координаты процесса функционально связаны между собой, то распоряжение выходной координатой осуществляется путём изменения величины и знака входной координаты, т.е. воздействием на результативный поток энергии или вещества; энергии или вещество при этом является материальным управляющим (регулирующим) агентом. Например, для управления температурой нагреваемого тела изменим итоговое количество подводимого тепла, для управления уровнем жидкости в сосуде – итоговое поступление жидкости в сосуд и т.д.

Из перечисленных трёх основных задач управления единичным процессом вторая, т.е. распоряжение направлением процесса, может быть объединена с третьей, если учитывать не только величину, но и знак показателей режима. Действительно, охлаждение и нагревание с позиций управления можно считать одним процессом, но с различными знаками для направления теплового потока и т.д.

Управление единичным процессом осуществляется в разных случаях по – разному в зависимости от типов требуемых режимов. При этом различают процессы:

o со свободными, неуправляемыми режимами;

o с управляемыми режимами лишь по направлению;

o со свободными режимами в заданных пределах;

o с управляемыми режимами.

Например, горение электрической лампой накаливания характеризует процесс со свободным режимом: управление горением осуществляется лишь включением и выключением тока, а режим лампы – свободный, неуправляемый. Работа просто реверсивного вентилятора характеризует второй тип процесса: управление осуществляется включением - выключением привода (например, электродвигателя) для вращения в одном или в противоположном направлении, а режим работы в одном или в противоположном направлении, а режим работы вентилятора в обоих случаях неуправляемый. Емкость (в которую подаётся газ), снабженная предохранительным клапаном, представляет собой третий тип процесса, так как качественный показатель – давление газа в ёмкости – имеет предельное значение, ниже которого режим становится свободным, неуправляемым. Управление подобным процессом включает две задачи: пуск – прекращение и ограничение качественного показателя.

Очевидно, что процессы со свободным режимом и режимом, управляемым лишь по направляемым лишь по направлению, должны обладать способностью самостоятельно (без внешнего вмешательства в процесс) сохранять качественные показатели в определённых допустимых пределах.

Процессы четвёртого типа – с управляемыми режимами – в зависимости от требований, предъявляемых к управляемому показателю, по характеру функционирования (помимо, очевидно, необходимых операций и прекращения) бывают трёх основных видов, когда управляемая величина:

o сохраняет постоянную величину – стабилизирующее управление;

o изменяется в соответствии с заранее заданной функцией – программное управление;

o изменяется в зависимости от значения неизвестной заранее переменной величины на входе – следящее управление.

В частности, управляемая величина должна изменяться так, чтобы при всех реально возможных изменениях переменных величин, характеризующих данный процесс и внешние воздействия, некоторые характеристики процесса имели оптимальные значения (например, наивысший КПД, наивысшую скорость протекания, наименьшие потери) - оптимальное управление.

В системе автоматического регулирования, составленной из объекта регулирования, элемента сравнения, усилителя и исполнительного элемента, динамические процессы могут протекать недостаточно качественно, по тем или иным причинам процесс регулирования может оказаться вообще неустойчивым. Для того чтобы САР обладала устойчивым процессом и удовлетворяла требуемым условиям качество процесса регулирования, применяют корректирующие устройства.