1. Информация в системах автоматизации процессов

Первый опыт создания автоматических регуляторов уходит кор­нями в глубокую древность, и искать имя первого человека начав­шего заниматься автоматизацией также бесперспективно, как и имя изобретателя колеса. Элементы устройств обеспечивавших посто­янный напор воды для водяных мельниц и орошения земли не раз находили при археологических раскопках древних поселений. Смот­реть на такие примеры автоматизации снисходительно, свысока не следует, - уровень автоматизации соответствовал уровню техноло­гического процесса. По мере совершенствования и усложнения тех­нологических процессов совершенствовалось и то, что принято сей­час называть автоматизацией. Особенно сильный толчок в своем развитии автоматизация получила после изобретения парового дви­гателя; понадобились регуляторы давления пара, скорости вращения двигателя и др. И этот период можно считать началом перехода ав­томатизации из разряда своеобразного искусства в разряд науки - автоматики - науки об управлении процессами. Автоматика ста­ла приобретать черты теоретической науки; были востребованы мно­гие разделы математики: частотный анализ (преобразование Фурье), операционное исчисление (преобразование Лапласа, преобразование Хевисайда), некоторые области дифференциальных уравнений, Бу­лева алгебра и многие другие. Кроме того, исключительно из запро­сов автоматики появились и получили развитие многие новые разде­лы математики. По мере своего развития автоматика сама стано­вилась родоначальницей некоторых технологических процессов, в частности, так называемых информационных технологий. К на­стоящему времени автоматика превратилась в огромную область человеческих знаний, ценность которых заключается не только в их практическом использовании, например для автоматизации про­изводства, но и в мировоззренческом аспекте, для более полного понимания окружающего нас мира, частью которого являемся и мы сами. Ведь и человек и вселенная, как по частям, так и целиком "функционируют" автоматически. Изучением явлений окружающе­го нас мира занимаются разные науки и, в частности, - физика, но в отличие от неё автоматика использует иные принципы и понятия. Если в физике одним из фундаментальных понятий является энер­гия, и взаимодействие объектов физического мира это, в первую очередь, энергетическое их взаимодействие, то в основе автомати­ки лежит понятие информации; окружающий мир — это объекты, находящиеся в постоянном обмене информаций. При этом каждый объект является преобразователем информации. (рис. 1.1). Он явля­ется и получателем информации и, с другой стороны, её источником.

Рис. 1.1. Графическое представление преобразователя информации:

X - входная (преобразуемая) величина (сигнал);

Y - выходная (преобразованная) величина (сигнал);

F - функция преобразования

Информация передается с помощью носителей - сигналов, в роли которых могут быть любые физические величины: электричес­кий ток, напряжение, сопротивление, механическое перемещение, угол поворота, давление, частота, временной интервал и др.

Таким же образом рассматривается и технологический процесс, подвергаемый автоматизации: входными величинами будут являться всякого рода воздействия на процесс, а выходными - его параметры.

Рассмотрим в качестве примера технологического процесса процесс получения сжатого воздуха в компрессоре.

Вся компрессорная установка, включающая в себя воздушный насос, приводимый во вращение электрическим двигателем и накопительную емкость (ресивер), представляет собой ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ (ОУ), т.е. то, чем необходимо управлять. Параметром, несущим информацию о со­стоянии ОУ является величина давления воздуха в ресивере, воз­действиями (входными величинами) будут: скорость вращения двигателя, продолжительность его работы, производительность на­соса, температура воздуха, интенсивность потребления (расхода) воздуха из ресивера и др. Если задачей автоматизации компрессора считать поддержание заданной величины давления воздуха, то все воздействия на наш ОУ можно разделить на две группы: воздей­ствия с помощью которых можно пытаться поддерживать необхо­димое давление - скорость и продолжительность вращения двига­теля - т.н. УПРАВЛЯЮЩИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ и воздействия пре­пятствующие этому - непостоянство потребления воздуха, измене­ния температуры, изменение производительности насоса из-за изно­са - т.н. ВОЗМУЩАЮЩИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ.

Такое разделение воздействий является принципиальным, т.к. возмущающие воздействия, в отличие от управляющих, не зависят от наших (или нашей управляющей системы) желаний, они являются случайными и непредсказуемыми и препятствуют самопротеканию процесса обеспечения заданного давления. Из-за присутствия воз­мущающих воздействий и возникает необходимость в управ­лении процессом. И независимо от того, осуществляется управле­ние вручную (оператором) или автоматически, суть процесса управ­ления всегда одна: в процессе управления, с помощью управляю­щих воздействий производится компенсация всех возмущаю­щих, в результате общее воздействие на ОУ будет равно нулю, а значит не будет причин для отклонения параметра ОУ от желаемого значения. В рассматриваемом примере, изменяя про­должительность работы двигателя насоса (управляющее воздей­ствие), системе управления удается поддерживать заданную вели­чину давления независимо от степени влияния всех дестабилизиру­ющих факторов (возмущающих воздействий). Если, к примеру, уве­личится расход воздуха потребителем, то система управления бу­дет включать двигатель чаще и на более продолжительное время; если увеличатся обороты двигателя (из-за увеличения напряжения в сети), то продолжительность периодов его работы уменьшится.

Из сказанного следует, что система управления должна каким-то образом связать между собой параметры и возмущающие воз­действия с управляющими, при этом управляющие и возмущающие воздействия в сумме должны быть равны нулю. Эта задача может быть решена двумя способами или, как принято называть, на основе двух принципов регулирования.