12.4. Непрерывные и периодические технологические процессы и особенности управления ими

Значительных трудностей в управлении непрерывными техно­логическими процессами не возникает ввиду их непрерывности и стационарности.

Управление этими процессами осуществляется в основном ло­кальными системами управления, а в последнее время в возрас­тающей степени — цифровыми системами.

Для пищевых производств характерны дискретные технологи­ческие процессы. С точки зрения модели процесса важно опре­делить характер дискретности, чтобы учитывать его при управле­нии. К дискретным технологическим процессам можно отнести дискретные в пространстве технологии, технологии обработки дискретного продукта и дискретные системы управления.

Дискретные в пространстве технологии имеют место при по­следовательной обработке каждой порции продукта на технологи­ческих аппаратах, соединенных в цепочку. При этом поток про­дукта время от времени прерывается — технология периодиче­ская.

Дискретная в пространстве модель описывает многие пище­вые предприятия в целом, большинство участков и цехов пище­вых производств (особенно завершающую цепочку производства), а также многие агрегаты (например, порционное тестоведёние, тарельчатые дистилляционные и ректификационные колонны, экстракторы в масложировом производстве и др.). При разработ­ке систем управления этих производств, особенно АСУТП, пер­спективна модель оценки технологической ситуации в целом (для цеха, предприятия), т. е. применение Z-преобразования (по номеру участка), динамического программирования Беллмана. Упрощенная структурная схема управления дискретной в про­странстве технологией представлена на рис. 12.3.

Рис. 12.3. Упрощенная структурная схема управления технологией в простран­стве:

1, 2, ..., /, П — агрегаты, 1 — регулятор исходной концентрации, и —регулятор выходной концентрации, 111 — исполнительный механизм

Технологии обработки дискретного продукта применяют при производстве штучной продукции (хлебобулочные изделия, кон­сервы, винно-водочные изделия, напитки и т. п.). Рассмотрим их с позиций реализации задач АСУТП для участка, цеха и т. п. Здесь характер готового продукта не столь существен, более важ­на пространственная дискретность, так как потоки продукта с определенной точностью можно принимать непрерывными.

В простейшем варианте управление дискретными процессами и потоками штучных изделий реализуется с помощью жестко фиксированных (в управлении) автоматов (линии розлива или упаковки), когда оборудование выполняет ряд наперед заданных операций.

В более сложном варианте — это автоматическая отбраковка го­товых изделий. Эти задачи могут решаться с помощью теории ко­нечных автоматов, сетей Петри, таблиц принятия решений, а тех­ническая реализация — с помощью микропроцессорной техники.

12.5. Системы управления дискретными процессами

Нестационарность процесса создает серьезные трудности при его регулировании (необходимость адаптации, переменной струк­туры и т. п.). Для процесса, дискретного в пространстве, наряду со стабилизацией отдельных параметров необходимо организо­вать взаимодействие агрегатов, согласовать режимы последова­тельно работающих агрегатов, распределить нагрузку между па­раллельно работающими агрегатами и т. п.

Таким образом, средства локальной автоматики могут обеспе­чить только нижний уровень функционирования рассматривае­мых систем. Для принятия более сложных решений требуется многоуровневая система управления. Особенности управления дискретными объектами предопределяет характер задач, решае­мых управляющей ЭВМ. В относительно простых задачах управ­ления можно ограничиться принятием решения на основе логи­ческих операций.

Часто при управлении дискретными процессами необходим учет времени, в течение которого протекает данный процесс, требуется слежение за-протеканием нескольких асинхронно про­ходящих процессов, поэтому структура комплекса программ, реа­лизующих эту управляющую функцию ЭВМ, усложняется.

Важной особенностью управления дискретными процессами является более высокий уровень (в сравнении с управлением не­прерывными процессами) различных моделей при принятии ре­шений. Большинство алгоритмов самонастройки и адаптивного управления реализуется моделями. Таким образом, возрастает удельный вес вычислительных функций ЭВМ.

Указанные особенности имеют важное значение при выборе средств микропроцессорной техники. Так, логическое управление легко реализуется перепрограммируемыми логическими контрол­лерами (ПЛК). Для решения более сложных задач управления дискретными процессами требуются микропроцессорные системы (МПС) с достаточно мощными операционными возможностями, что в настоящее время реально.

Дискретные системы управления — это цифровые системы непо­средственного управления с помощью ЭВМ. Общей для них явля­ется дискретность по времени, т. е. формирование управляющих воздействий через определенные (равные) промежутки времени.

Модели дискретных объектов управления — нелинейные, но в большинстве случаев систему можно описать линейными кусоч­но-непрерывными функциями.

Для расчета таких систем широко применяют дискретное преобразование и Z-преобразование.

Существуют два перспективных класса систем управления дис­кретных объектов — адаптивные (приспосабливающиеся к изменени­ям характеристик управляемого объекта) и с переменной структурой.

Адаптивные системы применяются в ситуациях, когда дина­мические характеристики объекта изменяются в 1,5 и более раз.

Эти изменения могут быть вызваны «дрейфом» свойств объекта во времени, существенной нелинейностью объекта (например, когда свойства объекта резко меняются при изменении нагруз­ки), изменением характера процесса в объекте (что присуще объ­ектам дискретного действия).

Адаптивные системы подразделяются на самонастраивающие­ся системы и системы с эталонной моделью. По этой классифи­кации адаптивные системы подразделяются на следующие виды: непрямые, где применяют алгоритмы идентификации динамиче­ских характеристик объекта и проводят расчет на их основе па­раметров регулятора (здесь присутствует идентификатор и вы­числитель); прямые, когда применяют алгоритмы адаптации для непосредственно изменяющего параметры регулятора по наблю­дениям; непрямая с предсказателем и прямая с предсказате­лем — применение алгоритмов предсказания и порождаемых ими оценок для определения параметров объекта и последующего их изменения регулятором. При этом, в зависимости от выбора структуры предсказателя, формируется система с предсказателем (непрямая или прямая). Классификация адаптивных систем дана на рис. 12.4.

6

а) б)

12 7

Рис. 12.4. Классификация адаптивных систем:

а) — непрямая; б) — прямая; в) — непрямая с предсказателем; г) — прямая с предсказателем: / — объект; 2— регулятор; 3 — регулируемый параметр; -/ — задание; 5 — управление; 6—параметры объекта; 7—параметры регулятора; 8 — идентификатор; 9 — вычислитель; 10 — адаптер; // — предсказатель; 12 — параметры объекта

В прямых адаптивных (самонастраивающихся) системах само­настройка достигается за счет введения в структуру элемента, связи, делающих процесс регулирования нечувствительным к из­менению одного или нескольких динамических параметров объ­екта. В простом варианте это система с бесконечно большим ко­эффициентом усиления в прямом контуре за счет введения ре­лейного элемента или'' нелинейного элемента с насыщением. В более сложном варианте — вводят специальные фильтры, пара­метры которых подстраиваются под требуемое качество регулиро­вания. Этот класс систем применяют только для изменения ко­эффициента передачи объекта и его нелинейности. Они постоян­но функционируют в колебательном режиме.

Важным классом адаптивных систем являются системы с эта­лонной моделью. В них настройка параметров регулятора обеспе­чивает переходный процесс, близкий к эталону, который форми­руется специальной (эталонной) моделью. Эти системы работают без настройки параметров эталонной модели и относятся к пря­мым адаптивным. Такой подход целесообразно применять при синтезе следящих систем.

Для непрямых адаптивных систем важны алгоритмы под­стройки модели, т. е. алгоритмы адаптации динамических харак­теристик. В последнее время большое распространение получили алгоритмы определения динамических характеристик объекта по его частотным характеристикам. Их определяют путем подачи на вход объекта, наряду с основным управляющим воздействием, пробного сигнала. Этот метод относительно точен и легко реали­зуется в цифровых системах. Достоинством алгоритма является простота вычислений, он легко реализуется средствами вычисли­тельной техники.

Второй класс систем (регуляторов) управления с переменной структурой также обладает адаптивными свойствами. Во многих случаях, применяя системы с изменением структуры, следует по­нимать, что речь идет об изменении (как правило, дискретном, часто двухпозиционном) одной из уставок (например, времени изодрома) ПИ-регулятора, в ПИД-регуляторах с переменной структурой предусмотрено изменение всех трех уставок, а также когда одно из двух фиксированных значений уставки — «ноль» или «бесконечность», т. е. происходит изменение закона регули­рования (например, П- на ПИ-). Известны регуляторы с пере­менной структурой, в которых в зависимости от ситуации пере­ключается канал регулирования.С точки зрения динамических свойств замкнутой системы из­менение, вызванное переключением одной из уставок и переклю­чением канала регулирования, приводит качественно (но не ко­личественно) к одним и тем же результатам, т. е. динамические характеристики системы описываются двумя разными дифферен­циальными уравнениями (хотя различие только в одном или не­скольких коэффициентах). В пределах интервала между переклю­чениями данные системы часто рассматриваются как линейные (с некоторым приближением). Но переключение делает систему в целом существенно нелинейной. Поэтому часто анализируют (и синтезируют) системы с переменной структурой методом фазо­вых траекторий (или фазовых портретов) со «сшиванием» фазо­вых портретов линейных частей по линии переключения.

Во многих случаях (когда фазовые траектории направлены к линии переключения) возникает так называемый скользящий ре­жим. В этом режиме происходят переключения состояний регу­лятора, однако движение системы в фазовых координатах уже почти не зависит от параметров линейных частей, а определяется линией переключения.

Поскольку параметры линии переключения зависят только от настройки переключающего устройства и в широком диапазоне инвариантны к «дрейфу» параметров объекта, формируется само­настраивающаяся система регулирования.

Особенности управления дискретными объектами

Для объекта (агрегата) периодического действия даже в про­стых случаях от системы требуется надежная (оптимальная) работа. Например, в точно заданные моменты времени необходи­мо открыть клапан, проверить, действительно ли он открылся, выдержать заданное время, закрыть этот клапан, открыть другой и т. п. При этом речь идет только о жестком автомате, работаю­щем по времени, без регулирования. Однако и в этом случае от системы требуется предпринять нестандартные действия в случае несрабатывания исполнительного механизма. Возможен более сложный случай, когда технология требует обратной связи по ходу процесса.

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ, ТЕМЫ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ

1. АСУТП — концепция построения систем управления.

2. Функции АСУТП.

3. АРМ оператора-технолога.

4. Программное обеспечение АСУТП.

5. Методы и функции управления технологическими процессами.

6. Непрерывные и периодические процессы и особенности их управления.

7. Системы управления дискретными процессами.