Датчик

Сервомеханизм

Объект

Рис. 20. Общая функциональная схема СУ

Конкретные схемы систем автоматического управления могут отличаться от типовой схемы, приведенной на рис. 19. Часть устройств может отсутствовать или конструктивно объединяться в одном устройстве, возможно наличие дополнительных элементов. Функции корректирующих устройств могут выполнять цифровые и аналоговые вычислительные машины.

9. Декомпозиция систем управления

Часто при разработке систем автоматизации и управления сложными техническими объектами и процессами (в частности, при создании АСУТП) приходится решать задачу декомпозиции.

Основная цель декомпозиции - это разделение системы на части, имеющие меньшую сложность, с целью обеспечения условий для анализа и синтеза подсистем, для проектирования, построения, внедрения, эксплуатации и совершенствования систем управления.

Первой проблемой декомпозиции СУ является разделение системы на части с меньшим числом элементов и связей, т.е. с меньшим числом переменных величин. Обычно систему разделяют таким образом, чтобы подсистемы поддавались какой-либо классификации, например, по функциям управления, по иерархии управления и т.д. Это обеспечивает унификацию подходов к подсистемам. Связи рекомендуется расчленять как можно меньше для упрощения увязки подсистем между собой.

Необходимо учитывать естественную декомпозицию, которая находит свое выражение в существующей структуре управления, обязанностях должностных лиц, действующей документации и др. Одновременно следует критически оценивать ситуацию с учетов своих целей.

Довольно плодотворным способом является проведение многократной декомпозиции по нескольким разным направлениям. На каждом этапе декомпозиции элемент системы попадает в разные подсистемы. Этот подход позволяет лучше изучить систему с разных направлений.

АСУТП в целом должна быть спроектирована таким образом, чтобы все ее подсистемы имели свои локальные цели, выбранные в соответствии с общей целью системы. Как правило, такая цель, а также критерий функционирования и основные ограничения, накладываемые на работу АСУТП, формулируются в начале проектирования системы.

Второй проблемой является проблема декомпозиции критерия, т.е. нахождения критериев субоптимальности - критериев функционирования подсистем. Иногда она рассматривается как проблема конструирования критериев.

Еще одна проблема декомпозиции - оценка субоптимальности действия подсистем (степени отклонения получаемых результатов от оптимальной потребности системы в целом). Оценка отклонений позволяет найти пути сведения их к необходимому минимуму.

Важными проблемами являются также агрегатирование подсистем и выбор стратегии функционирования.

Существует также ряд проблем, связанных с надежностью функционирования подсистем, обменом информацией между ними и т.д.

Известные направления декомпозиции АСУТП позволяют выделить структурные, функциональные, этапные, поэлементные и другие подсистемы АСУ. В частности, под функциональными понимают подсистемы, соответствующие отдельным функциям управления: например, подсистемы контроля, стабилизации, оперативного управления.

Широко распространена декомпозиция на функциональные подсистемы по признаку управления операциями технологического процесса (рис. 21).

Уровни АСУТП

Исследование процесса

5

Оптимизация процесса

4

Программное управление процессом

3

Стабилизация процесса

2

Вывод процесса на режим

1

Технологический режим

Датчики

Исполнительные механизмы

0

Рис. 21. Типовые функциональные подсистемы АСУТП непрерывного типа

Рекомендуемые уровни автоматизации основных функций управления технологическими процессами представлены на рис. 22 - 23.

5. Формирование выходной информации

для персонала производства

для вышестоящих уровней управления

4. Оптимизация

технологического режима в статике

переходных режимов

3. Оперативное управление

пуском и остановом оборудова-ния

измене-нием режима работы

выявле-нием аварийных ситуаций

Ликвида-цией аварийных ситуаций

2. Стабилизация

режимных параметров

состава и свойств полупродуктов

временных интервалов (программное управление)

1. Контроль

техноло-гического режима

состава и свойств полупро-дуктов

качества продук-ции

состоя-ния оборудо-вания

запасов

Рис. 22. Структура функций контроля и управления производством

Локальная автоматика Централизованный АСУТП

контроль и управление

- ручное управление

- автоматизированное управление

- автоматическое управление

Рис. 23. Уровни автоматизации основных функций управления

технологическим процессом

Во время анализа и расчета получающихся при декомпозиции более или менее простых систем автоматического управления возникает необходимость выбора с определенной степенью приближения адекватной математической модели, которая определяла бы с течением времени изменение переменных состояния системы.

Следует отметить, что почти все системы управления представляют собой нелинейные системы, которые содержат как переменные, так и распределенные параметры. Поэтому точное математическое описание систем управления связано с большими трудностями и не всегда определяется практической необходимостью. Методы теории управления разработаны применительно к различным типовым математическим моделям реальных систем автоматического управления.

В зависимости от идеализации, принятой при математическом описании систем управления, в теории управления используется классификация, представленная на рис. 24.

Системы управления

Непрерывные

Дискретные

(импульсные)

Дискретно-

непрерывные

Непрерывные

Дискретно-

непрерывные

Стационарные

Нестационарные

Стационарные

Линейные (уравнения)

С сосредоточенными параметрами

С распределенными параметрами

Нелинейные (уравнения)

Дискретные

(цифровые,

релейные)

Нестационарные

Рис. 24. Классификация моделей систем управления

В основу классификации положены свойства оператора, связывающего входные и выходные переменные, а также свойства параметров (постоянные или переменные). Кроме того, системы управления (или их математические модели) могут быть подразделены на детерминированные и статистические. В детерминированных системах входные воздействия и параметры являются постоянными функциями переменных состояния и времени, а в статистических - случайными функциями и случайными величинами.