1.2. Управляющие системы
Управляющая система осуществляет функции управления по определённым программам, заранее предусматривающим действия, которые должны быть предприняты в той или иной производственной ситуации. За человеком остаётся общий контроль и вмешательство в тех случаях, когда возникают непредвиденные алгоритмами управления обстоятельства. Управляющие системы имеют несколько разновидностей.
Супервизорные системы управления. АСУ, функционирующая в режиме супервизорного управления, предназначена для организации многопрограммного режима работы ЭВМ и представляет собой двухуровневую иерархическую систему, обладающую широкими возможностями и повышенной надёжностью. Управляющая программа определяет очевидность выполнения программ и подпрограмм и руководит загрузкой устройств ЭВМ.
Системы прямого цифрового управления. ЭВМ непосредственно вырабатывает оптимальные управляющие воздействия и с помощью соответствующих преобразователей передаёт команды управления на исполнительные механизмы. Режим прямого цифрового управления позволяет применять более эффективные принципы регулирования и управления и выбирать их оптимальный вариант; реализовать оптимизирующие функции и адаптацию к изменению внешней среды и переменным параметрам объекта управления; снизить расходы на техническое обслуживание и унифицировать средства контроля и управления.
1. По методу управления автоматизированные системы управления (асу) подразделяются на неадаптивные (или неприспосабливающиеся) и адаптивные (или приспосабливающиеся) системы.
Неадаптивные автоматизированные системы управления не приспосабливаются к изменяющимся условиям работы объекта управления. Это наиболее простые системы, не изменяющие своей структуры и параметров в процессе управления. Практически все автоматизированные системы регулирования (АСР) относятся к неадаптивным АСУ. Для этих систем на основе априорной (существующей до начала работы) информации при проектировании и наладке выбирают структуру и параметры, которые обеспечивают заданные свойства системы (выполнение целей управления) для типовых или наиболее вероятных условий ее работы (при необходимости перестраивать системы можно вручную).
Неадаптивные системы подразделяются на три типа: стабилизирующие системы, т.е. обеспечивающие поддержание постоянного заданного значения регулируемой величины (например, система поддержания заданного значения расхода мазута во вращающуюся печь спекания); программные, задачей которых является изменение регулируемой величины по заданному закону во времени или в зависимости от величины другого параметра (например, изменение температуры в камерной термической печи по определенному графику, необходимому для данного типа термообработки: повышение температуры с определенной скоростью, выдержка при постоянной температуре и т.п.); следящие системы, обеспечивающие изменение регулируемой величины в определенном соотношении с задающим воздействием, когда можно рассматривать то, что заданное значение изменяется произвольным образом, не зависящим от данной системы (например, регулирование соотношения топливо–воздух при управлении сжиганием топлива).
Адаптивные АСУ – это такие системы, в которых параметры управляющих устройств или алгоритмы управления автоматически и целенаправленно изменяются для осуществления оптимального управления объектом, причем характеристики объекта или внешние воздействия на него могут изменяться заранее непредвиденным образом.
Адаптивные АСУ способны менять структуру, параметры или программу своих действий в процессе управления. Поскольку в процессе управления происходит автоматическое изменение параметров или структуры системы, то адаптивные АСУ называют также самонастраивающимися.
Адаптивные АСУ подразделяют на два типа: экстремальные системы, которые автоматически ищут экстремум управляемой величины, а так как его положение изменяется в процессе работы объекта, то система автоматически изменяет направление поиска, скорость и т.д. (изменяет программу своих действий); оптимальные системы, которые используют с целью получения оптимальных условий объекта, характеризуемых экстремумом критерия управления при определенных ограничениях.
При работе самонастраивающихся систем могут автоматически изменятся параметры системы (настройки управляющих устройств), и тогда их называют системами с самонастройкой параметров. Если автоматически меняется структура системы (изменяется алгоритм управления), то такие системы называют системами с самонастройкой структуры (или с переменной структурой). Системы, изменяющие в процессе работы программу своих действий, называются системами с самонастройкой программы.
Настраивающиеся АСУ реализуются с использованием управляющей вычислительной машины (УВМ), исключение могут составлять экстремальные системы. Для работы УВМ необходимо наличие аналитического описания (математических моделей) объекта управления и других элементов системы, а также алгоритмов адаптации и управления, по которым и рассчитывают характеристики системы, обеспечивающие оптимизацию работы объекта. Различают пассивные и активные методы адаптации системы. В первом случае связь структуры и настроек системы с изменяющимися условиями работы объекта задается заранее на основе априорной информации. Пассивные методы адаптации возможны при нестационарных объектах управления с известными закономерностями изменения параметров. Примером активного метода самонастройки АСУ является система оптимального управления нагревательной печью, когда задания и настройки всех локальных регуляторов определяют из условий оптимальной производительности печи или минимальных суммарных затрат на нагрев и прокатку металла на основе текущей информации о процессе.
2. По характеру использования информации АСУ и АСР делят на замкнутые и разомкнутые системы. Замкнутые системы (системы регулирования по отклонению) используют рабочую текущую информацию о выходных величинах, определяя отклонение регулируемой величины от заданного значения, и принимают меры к уменьшению и устранению этого отклонения.
Разомкнутые АСР непосредственно не используют рабочую информацию о регулируемых величинах, а регулирование осуществляют на основании информации о входных величинах. При этом отсутствует обратная связь между выходными и входными величинами. Разомкнутые АСР подразделяют на системы с жесткой программой и системы с регулированием по возмущению. Примером системы с жесткой программой может служить система автоматического пуска и остановки комплекса машин, в которой должна выдерживаться определенная последовательность работы отдельных механизмов. Системы регулирования по возмущению используют информацию о входных величинах (возмущениях) и принимают меры, чтобы указанные возмущения не влияли на выходную величину, т.е. компенсируют возникающие возмущения. Поэтому такие АСУ называют также системами с компенсацией возмущений (инвариантными).
3. По результатам работы в установившемся состоянии системы делятся на астатические и статические. В астатических системах регулируемая величина после окончания переходного процесса точно равна заданному значению (практически она может отличаться от заданного значения на некоторую малую величину, обусловленную нечувствительностью системы). В статических системах после окончания переходного процесса возникает разность между заданным и установившимся значениями регулируемой величины, которая называется статической ошибкой.
4. По числу регулируемых величин АСУ делятся на одномерные и многомерные (или многосвязные). Одномерные АСУ – это системы управления простейшими объектами с одной регулируемой величиной. В большинстве случаев АСУ регулируют несколько величин и являются многомерными. В многомерных системах можно выделить несколько каналов регулирования, в которых каждая регулируемая величина определяется одним регулирующим воздействием, а канал имеет свой регулирующий орган (положение которого практически не влияет на другие регулируемые величины), и тогда сложный объект как бы распадается на несколько одномерных объектов с одномерными АСР.
5. По характеру изменения регулирующих воздействий во времени АСУ и АСР делятся на непрерывные и прерывистые (дискретные). В непрерывных АСР работают регуляторы, которые реализуют несколько типовых непрерывных законов (алгоритмов) регулирования: пропорциональный (П-закон), интегральный (И-закон), пропорционально-интегральный (ПИ-закон) и пропорционально-интегрально-дифференциаль-ный (ПИД-закон).
В дискретных АСУ информация и регулирующие воздействия появляются только в определенные моменты времени, т.е. в системе существует минимум один элемент, в котором при наличии непрерывного изменения входной величины выходная величина изменяется прерывисто (скачкообразно) или существует только в определенные (дискретные) моменты времени. Дискретные АСУ подразделяют на релейные, импульсные и цифровые.
В релейных системах один из элементов, обычно регулятор, имеет релейную характеристику, когда выходная величина скачкообразно изменяется при определенном значении входной величины.
В импульсных АСУ присутствует минимум один элемент с импульсной характеристикой, т.е. когда при непрерывном изменении входной величины выходная величина появляется только в определенные дискретные моменты времени.
К дискретным АСУ относятся также цифровые системы, в которых используются цифровые устройства: цифровые регуляторы (контроллеры), созданные на базе микропроцессорной техники, цифровые измерительные приборы.
6. По виду энергии, применяемой для работы, АСУ и АСР делят на системы прямого и косвенного действия. В системах прямого действия используется внутренняя энергия системы, например, энергия чувствительного элемента в регуляторах прямого действия. В системах косвенного действия используется внешняя по отношению к системе энергия и по виду этой энергии АСУ подразделяют на гидравлические, пневматические и электрические.
7. По виду дифференциального уравнения различают линейные и нелинейные АСУ. К линейным относятся системы, поведение которых описывается линейными дифференциальными уравнениями. Поскольку систем, абсолютно точно описываемых линейными дифференциальными уравнениями, практически не существует, то к линейным системам относятся так называемые линеаризованные системы, описываемые линейными дифференциальными уравнениями приближенно, при определенных допущениях и ограничениях. К нелинейным АСУ относятся системы, поведение которых описывается нелинейными дифференциальными уравнениями.
Структура измерительных устройств ГСП.
Получение информации о состоянии технологического объекта управления (ТОУ) обеспечивается в ГСП с помощью разнообразных устройств, которые предназначены для выработки сигнала несущего измерительную информацию в форме доступной для непосредственного восприятия оператора, а также в форме пригодной для использования в САУ и АСУ. Все измерительные приборы по виду вырабатываемой информации делятся на измерительные приборы и преобразователи. К измерительным приборам относится устройства, предназначенные для выработки измерительной информации в форме доступной для непосредственного восприятия оператором.
Измерительные преобразователи (ИП) - устройство, предназначенное для выработки измерительной информации в форме удобной для передачи, преобразования, обработки и хранения сигналов САУ и АСУ, не поддающегося непосредственному восприятию наблюдателя. Различают ИП с естественным и унифицированным выходным сигналом. ИП с естественным выходным сигналом - это устройства, в которых осуществляется первичные преобразования физической величины. К ИП с естественным выходным сигналом относятся термоэлектронные преобразователи, термометры сопротивления, тензорезисторы. ИП с унифицированным выходным сигналом имеют на выходе сигналы, предусмотренные соответствующими стандартами.
Рис. 1. Структура ГСП.
Аналоговые измерительные приборы.
Различают следующие принципы построения аналоговых измерительных приборов (АИП):
ü приборы прямого действия,
ü приборы сравнения.
У АИП прямого действия измерительная информация преобразовывается в одном направление от входа к выходу. Измерительная величина измерительного прибора преобразовывается в напряжение или ток, которые воздействуют на электромеханический измерительный механизм (ЭИМ), вызывая поворот его подвижной части и указателя отсчетного устройства, обеспечивающего получение количественного результата измерений.
Рис. 2. Функциональная схема АИП прямого действия.
АИП сравнения предназначены для сравнения измеренного значения с известным значением измеряемой величины. Устройство сравнения (УС) сравнивает значение величины, полученной от ИП и образцовой величины, воспроизводимой многозначной мерой. Результат сравнения оценивается при достижении равенства значений величины на входах УС, которые определяются по индикатору Ин. Результат сравнения отображается на устройстве отображения информации (УОУ).
Рис. 3. Функциональная схема АИП сравнения.
Цифровые аналоговые приборы (ЦИП).
В ЦИП непрерывный входной сигнал преобразуется в дискретный выходной сигнал и представляется в цифровой форме.
В состав ЦИП входит:
ü входной преобразователь (ВП);
ü аналогово-цифровой преобразователь (АЦП);
ü мера (высокочастотный генератор тактовых импульсов);
ü источник образцового напряжения;
ü блок управления (БУ, чаще всего микропроцессор МП);
ü блок цифровой индикации результатов измерения (БЦИ).
Рис. 4. Структура ЦИП.
Как правило, ЦИП имеет кодовый выход. ЦИП предназначены для встраивания в систему управления, как средства автоматизации, имеют кодовый вход, и являются программно управляемыми АЦП в составе ЦИП, выполняют операции квантования аналоговой величины по уровню и по времени, на его выходе вырабатывается кодовый сигнал, который вводится в ЭВМ и преобразовывается в БЦИ в индикаторный код для цифрового отсчета.
Преимущества цифровых приборов ЦИП перед аналоговыми приборами АЦП обусловлены:
1) малой погрешностью (максимальный класс точности АИП - 0,05, ЦИП- 0,0005);
2) высоким быстродействием;
3) отсутствием субъективной ошибки отсчетов результата измерения;
4) возможностью автоматизации процесса измерения и простотой реализации дальнейшей обработки сигнала путем встраивания в АСУТП и документированного результата измерения при подключении к ЭВМ и к другим устройствам.