Задачи теории и практики автоматического управления

Глава 1. Основы теории автоматического управления

Введение

АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ

Учебное пособие по курсу «Управление, сертификация и инноватика» для студентов специальностей 100500, 100700, 100800

Одобрено

Редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

Технического университета

Саратов 2009 г

Создание современных систем автоматизированного управления технологическими процессами (АСУ ТП) можно рассматривать как одно из главных направлений технического процесса, обеспечивающего повышение эффективности современного производства.

Автоматическое управление производственных процессов создает следующие основные возможности:

- повышение экономичности работы установок;

- повышение надежности снижение аварийности;

- повышение производительности труда;

- облегчение условий работы обслуживающего персонала;

- повышает общую культуру и организационный уровень производства.

Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) реализуются при наличии на производстве следующих средств:

1. технологический (теплотехнический) контроль;

2. технологическая сигнализация;

3. дистанционное управление;

4. технологическая (теплотехническая) защита и блокировка;

5. автоматическое управление;

6. автоматический ввод резерва (АВР);

7. связь и командная сигнализация.

Автоматические системы управления подразделяются на два основных класса.

Детерминированные автоматические системы управления – осуществляют заданную им цель без всякой свободы выбора, выходящей за пределы установленной жесткой программы (станки-автоматы, поточные линии и т.д.)

Информационные автоматические системы управления – осуществляют заданную им цель с большей или меньшей свободой выбора, обусловленной происходящими в системе технологическими процессами (системы автоматического управления).

Детерминированные системы управления, как правило, являются системами разомкнутого типа, принципиальная схема их представлена на рис. 1-1а.

Информационные системы управления являются системами замкнутого типа, и их принципиальная схема представлена на рис. 1-1б.

Рис. 1 – 1

Как следует из этих рисунков, любая система автоматического управления предполагает наличие двух основных элементов: объект управления – Об и автоматического регулятора – Р.

Объект управления представляет собой какой-либо участок работающей промышленной установки, непрерывно поддерживаемый в состоянии, удовлетворяющем ряду заданных условий.

Автоматический регулятор – это техническое устройство, обеспечивающее соответствующим воздействием на объект управления достаточно точное выполнение заданных условий. При этом, для обеспечения возможности воздействия регулятора на объект управления последний должен иметь регулирующий орган, изменяющий количество энергии (или вещества), подводимой к объекту или отводимой от него.

Помимо основных элементов при исследовании систем автоматического управления оперируют и с рядом вспомогательных величин и воздействий. Так, на рис. 1 – 1 представлены основные из них, а именно:

- регулируемая величина (параметра), определяющая оптимальный

режим работы объекта управления, значение которой подается на

вход регулятора;

- заданное значение регулируемой величины (задание);

- регулирующее воздействие, оказываемое регулятором на объект

управления при отклонении регулируемой величины от заданного

значения;

- неконтролируемые возмущающие воздействия на объект по другим

каналам (т.е. не по каналу регулирующего воздействия),

вызывающие отклонение регулируемого параметра;

- ошибка регулирования (рассогласования), вырабатываемая

измерительной частью автоматического регулятора, который (в

случае, если ) воздействует на регулирующий орган.

Все внешние и внутренние воздействия - x_p(t); n_i(t) на объект управления называются входными воздействиями – «входом» или возмущениями.

Отклонение регулируемой величины - D y(t) при действии на объект возмущений называется реакцией объекта или «выходом».

В реальных условиях на объект управления всегда действуют неконтролируемые возмущения n_i(t), которые могут существенно исказить выходную величину и, соответственно, требуемое значение регулируемой величины не будет соответствовать заданному его значению, т.е. y(t)≠x(t).

Это возможно избежать, если разомкнутую систему охватить отрицательной обратной связью (рис. 1-1б), т.е. сложить значение входа x(t) со значением выхода y(t) с отрицательным знаком, позволяющей сравнить заданное и текущее значение регулируемой величины с целью коррекции выхода. Последнее и обусловило преимущественное распространение в производственных условиях замкнутых систем управления.

Примером реализации такой системы в промышленных условиях может служить схема регулирования температуры сетевой воды (рис. 1 – 2).

Рис. 1 – 2

Здесь значение температура сетевой воды после подогревателя (преобразуется датчиком y(t) в милливольты или термосопротивление) подается на измерительный блок – ИБ, где сравнивается с его заданным значением – x(t). При отклонении температуры воды от заданной, в измерительном блоке вырабатывается сигнал ошибки (рассогласование) - z(t). Эта ошибка усиливается в усилителе (УУ) до величины, необходимой для срабатывания сервомотора (СМ), т.е. исполнительного механизма, получающего энергию от внешнего источника питания и воздействующего на регулирующий орган, изменяющий подводимую (или отводимую) к объекту энергию или вещество.

В свою очередь, сервомотор воздействует на регулирующий клапан, изменяя подачу греющего пара на подогреватель.

Таким образом, автоматизированной системой управления (АСУ) называется динамическая система (состоящая из объекта управления, регулятора и т.д.), стремящаяся сохранить в допустимых пределах ошибку между заданным и действительным значениями регулируемой переменной.

В основе теоретических исследований систем автоматического управления лежат задачи анализа и синтеза.

Задача анализа: задается «вход» и динамические свойства системы: требуется определить «выход».

Задача синтеза: задается желаемый процесс на «выходе» системы и «вход» в систему: требуется найти структуру новой системы или изменить существующую систему таким образом, чтобы процесс на «выходе» системы отличался от желаемого в наименьшей степени.

Практические задачи, стоящие при построении промышленных систем управления сводятся к следующему.

1. Поддержание на определенном значении регулируемой величины – стабилизирующие АСУ.

2. Поддержание соответствия между двумя взаимосвязанными величинами, одна из которых, в общем случае, меняется по случайному закону – следящие АСУ.

3. Поддержание значения регулируемой величины, изменяющейся по определенному закону во времени – программные АСУ.

4. Ведение процесса оптимальным образом (например, нахождение максимума КПД или оптимума какого-либо другого критерия или показателя оптимальности) за счет поиска экстремума показателя качества – оптимальные АСУ.