Реферат: Управление техническими системами

Министерство образования Российской Федерации

Уфимский государственный нефтяной технический университет

Кафедра Автоматизации химико-технологических процессов

Кирюшин О.В.

Управление техническимисистемами

курс лекций

Уфа 2003

УДК658.012 (07)

ББК32.965я7

К43

Рецензенты:директор Регионального центра тестирования, канд. техн. наук,

доцент Ахметсафина Р.З.;

зав. кафедрой АПП, канд.техн. наук, доцент Сафонов В.В.

К43 Кирюшин О.В. Управление техническимисистемами: курс лекций. –

Уфа: Изд-во УГНТУ, 2003. – 80 с.

Учебное пособие написано по материаламкурса «Управление техническими системами», читаемого на кафедре Автоматизациихимико-технологических процессов УГНТУ для студентов различных специальностей.

Изложенный материал разделен на тричасти:

1) теория автоматического управления, вкоторой содержатся теоретические основы построения систем управления;

2) средства автоматизации и управления,где описываются основные методы измерения и средства автоматизации,используемые в нефтедобыче, нефтепереработке и нефтехимии;

3) современные системы управленияпроизводством, где вкратце перечислены основные аспекты построения АСУ ТП.

ÓУфимскийгосударственный нефтяной технический университет, 2003

ÓКирюшинО.В., 2003

Часть 1. Теория АвтоматическогоУправления (ТАУ)

1. Основные термины и определения ТАУ.

1.1. Основные понятия.

Системы управления современными химико-технологическимипроцессами характеризуются большим количеством технологических параметров,число которых может достигать нескольких тысяч. Для поддержания требуемогорежима работы, а в конечном итоге – качества выпускаемой продукции, все этивеличины необходимо поддерживать постоянными или изменять по определенномузакону.

Физические величины, определяющие ходтехнологического процесса, называются параметрамитехнологического процесса. Например, параметрами технологическогопроцесса могут быть: температура, давление, расход, напряжение и т.д.

Параметр технологического процесса,который необходимо поддерживать постоянным или изменять по определенномузакону, называется регулируемой величиной или регулируемым параметром.

Значение регулируемой величины врассматриваемый момент времени называется мгновеннымзначением.

Значение регулируемой величины,полученное в рассматриваемый момент времени на основании данных некоторогоизмерительного прибора называется ее измереннымзначением.

Пример1. Схема ручного регулирования температуры сушильного шкафа.

Рис. 1.1

Требуется вручную поддерживатьтемпературу в сушильном шкафу на уровне Тзад.

Человек-оператор в зависимости отпоказаний ртутного термометра РТ включает или выключает нагревательный элементН с помощью рубильника Р. ¨

На основе данного примера можно ввестиопределения:

Объект управления(объект регулирования, ОУ) – устройство, требуемыйрежим работы которого должен поддерживаться извне специально организованнымиуправляющими воздействиями.

Управление– формирование управляющих воздействий,обеспечивающих требуемый режим работы ОУ.

Регулирование– частный вид управления, когда задачей являетсяобеспечение постоянства какой-либо выходной величины ОУ.

Автоматическоеуправление– управление,осуществляемое без непосредственного участия человека.

Входноевоздействие(Х)–воздействие, подаваемое на вход системы или устройства.

Выходноевоздействие(Y)– воздействие, выдаваемое на выходе системы или устройства.

Внешнеевоздействие– воздействие внешнейсреды на систему.

Структурная схема системы регулированияк примеру 1 изображена на рис. 1.2.

оператор

ОУ

РТ

задание

воздействие

температура

показания

термометра

Рис. 1.2

Пример2. Схема автоматического регулирования температуры сушильного шкафа.

В схеме используется ртутный термометрс контактами РТК. При повышении температуры до заданной контакты замыкаютсястолбиком ртути, катушка релейного элемента РЭ возбуждается и цепь нагревателяН размыкается контактом РЭ. При понижении температуры контакты термометраразмыкаются, реле обесточивается, возобновляя подачу энергии на объект (см.рис. 1.3). ¨

<img src="/cache/referats/16361/image003.gif" v:shapes="_x0000_s1028">
Рис. 1.3

Пример3. Схема АСР температуры с измерительным мостом.

При температуре объекта, равнойзаданной, измерительный мост М (см. рис. 1.4) уравновешен, на вход электронногоусилителя ЭУ сигнал не поступает и система находится в равновесии. Приотклонении температуры изменяется сопротивление терморезистора RТиравновесие моста нарушается. На входе ЭУ появляется напряжение, фаза которогозависит от знака отклонения температуры от заданной. Напряжение, усиленное вЭУ, поступает на двигатель Д, который перемещает движок автотрансформатора АТ всоответствующую сторону. При достижении температуры, равной заданной, мостсбалансируется и двигатель отключится.

шкаф

ЭУ

~ U

АТ

Rзад

ЭУ

АТ

Rт

Y (температура)

(задание)

Рис. 1.4

Величина заданного значениятемпературы устанавливается с помощью резистора Rзад.¨

Исходя из описанных примеров, можно определитьтиповую структурную схему одноконтурной АСР (см. рис. 1.5). Принятыеобозначения:

x — задающее воздействие (задание), e= х — у — ошибка регулирования, u — управляющее воздействие, f — возмущающее воздействие (возмущение).

ОУ

Рис. 1.5

Определения:

Задающеевоздействие(то же, что входноевоздействие Х) — воздействие на систему, определяющее требуемый закон изменениярегулируемой величины).

Управляющеевоздействие(u) — воздействие управляющего устройства на объект управления.

Управляющееустройство(УУ) — устройство,осуществляющее воздействие на объект управления с целью обеспечения требуемогорежима работы.

Возмущающеевоздействие(f) — воздействие, стремящееся нарушить требуемую функциональнуюсвязь между задающим воздействием и регулируемой величиной.

Ошибкауправления(е = х — у) — разностьмежду предписанным (х) и действительным (у) значениями регулируемой величины.

Регулятор(Р) — комплекс устройств, присоединяемых крегулируемому объекту и обеспечивающих автоматическое поддержание заданногозначения его регулируемой величины или автоматическое изменение ее по определенномузакону.

Автоматическаясистема регулирования(АСР) — автоматическая система с замкнутой цепью воздействия, в котором управление (u) вырабатывается в результате сравнения истинногозначения у с заданным значением х.

Дополнительная связь в структурнойсхеме АСР, направленная от выхода к входу рассматриваемого участка цепивоздействий, называется обратной связью (ОС). Обратная связь может быть отрицательнойили положительной.

1.2. Классификация АСР.

1. По назначению (по характеру изменениязадания):

·

стабилизирующая АСР — система, алгоритм функционирования которой содержитпредписание поддерживать регулируемую величину на постоянном значении (x = const);

·

программная АСР — система, алгоритм функционирования которой содержит предписаниеизменять регулируемую величину в соответствии с заранее заданной функцией (x изменяется программно);

·

следящая АСР — система, алгоритм функционирования которой содержит предписаниеизменять регулируемую величину в зависимости от заранее неизвестной величины навходе АСР (x= var).

2. По количеству контуров:

·

одноконтурные — содержащие один контур,

·

многоконтурные — содержащие несколько контуров.

3. По числу регулируемых величин:

·

одномерные — системы с 1 регулируемой величиной,

·

многомерные — системы с несколькими регулируемыми величинами.

Многомерные АСР в свою очередь подразделяются на системы:

а) несвязанного регулирования, вкоторых регуляторы непосредственно не связаны и могут взаимодействовать толькочерез общий для них объект управления;

б) связанного регулирования, в которыхрегуляторы различных параметров одного и того же технологического процессасвязаны между собой вне объекта регулирования.

4. По функциональному назначению:

АСР температуры, давления, расхода,уровня, напряжения и т.д.

5. По характеру используемых дляуправления сигналов:

·

непрерывные,

·

дискретные(релейные, импульсные, цифровые).

6. По характеру математических соотношений:

·

линейные, длякоторых справедлив принцип суперпозиции;

·

нелинейные.

Принципсуперпозиции(наложения): Если навход объекта подается несколько входных воздействий, то реакция объекта насумму входных воздействий равна сумме реакций объекта на каждое воздействие вотдельности:

объект

х1 у

х2

Рис. 1.6

L

(х1 + х2) = L(х1) + L(х2),

где L

— линейная функция (интегрирование, дифференцирование и т.д.).

7. По виду используемой для регулированияэнергии:

·

пневматические,

·

гидравлические,

·

электрические,

·

механические идр.

8. По принципу регулирования:

·

по отклонению:

ОУ

Рис. 1.7

<img src="/cache/referats/16361/image008.gif" v:shapes="_x0000_s1861 _x0000_s1125 _x0000_s1126 _x0000_s1127 _x0000_s1128 _x0000_s1129 _x0000_s1130 _x0000_s1131 _x0000_s1132 _x0000_s1133 _x0000_s1134 _x0000_s1135 _x0000_s1136 _x0000_s1137 _x0000_s1138 _x0000_s1139 _x0000_s1140 _x0000_s1141 _x0000_s1142 _x0000_s1143 _x0000_s1144 _x0000_s1145 _x0000_s1860">Подавляющее большинство систем построено по принципуобратной связи — регулирования по отклонению (см. рис. 1.7).

<img src="/cache/referats/16361/image010.gif" v:shapes="_x0000_s1158"><img src="/cache/referats/16361/image011.gif" v:shapes="_x0000_s1157"><img src="/cache/referats/16361/image012.gif" v:shapes="_x0000_s1156"><img src="/cache/referats/16361/image013.gif" v:shapes="_x0000_s1146 _x0000_s1147 _x0000_s1148 _x0000_s1149 _x0000_s1150 _x0000_s1151 _x0000_s1152 _x0000_s1153 _x0000_s1154"> Элемент называется сумматором. Еговыходной сигнал равен сумме входных сигналов. Зачерненный сектор говорит о том, чтоданный входной сигнал надо брать с противоположным знаком.

·

по возмущению.

Данные системы могут быть использованы в том случае,если есть возможность измерения возмущающего воздействия (см. рис. 1.8). Насхеме обозначен

ОУ

Рис. 1.8

<img src="/cache/referats/16361/image014.gif" v:shapes="_x0000_s1863 _x0000_s1159 _x0000_s1160 _x0000_s1161 _x0000_s1162 _x0000_s1163 _x0000_s1164 _x0000_s1165 _x0000_s1166 _x0000_s1167 _x0000_s1168 _x0000_s1169 _x0000_s1170 _x0000_s1171 _x0000_s1172 _x0000_s1173 _x0000_s1174 _x0000_s1175 _x0000_s1176 _x0000_s1177 _x0000_s1178 _x0000_s1179 _x0000_s1862">К — усилитель с коэффициентом усиления К.

·

комбинированные — сочетают в себе особенности предыдущих АСР.

Данный способ (см. рис. 1.9) достигаетвысокого качества управления, однако его применение ограничено тем, чтовозмущающее воздействие fне всегдаможно измерить.

ОУ

Рис. 1.9

1.3. Классификация элементов автоматическихсистем.

1. По функциональному назначению:

·

измерительные,

·

усилительно-преобразовательные,

·

исполнительные,

·

корректирующие.

2. По виду энергии, используемой дляработы:

·

электрические,

·

гидравлические,

·

пневматические,

·

механические,

·

комбинированные.

3. По наличию или отсутствию вспомогательногоисточника энергии:

·

активные (систочником энергии),

·

пассивные (безисточника).

4. По характеру математических соотношений:

·

линейные

·

нелинейные.

5. По поведению в статическом режиме:

·

статические,у которых имеется однозначная зависимость между входным и выходнымвоздействиями (состояние статики). Примером является любой тепловой объект.

·

астатические — у которых эта зависимость отсутствует. Пример: Зависимость угла поворотаротора электродвигателя от приложенного напряжения. При подаче напряжения углповорота будет постоянно возрастать, поэтому однозначной зависимости у негонет.

2. Характеристики и модели элементов исистем.

2.1. Основные модели.

Работу системы регулирования можноописать словесно. Так, в п. 1.1 описана система регулирования температурысушильного шкафа. Словесное описание помогает понять принцип действия системы,ее назначение, особенности функционирования и т.д. Однако, что самое главное,оно не дает количественных оценок качества регулирования, поэтому не пригоднодля изучения характеристик систем и построения систем автоматизированногоуправления. Вместо него в ТАУ используются более точные математические методыописания свойств систем:

·

статическиехарактеристики,

·

динамическиехарактеристики,

·

дифференциальныеуравнения,

·

передаточныефункции,

·

частотныехарактеристики.

В любой из этих моделей система можетбыть представлена в виде звена, имеющего входные воздействия Х, возмущения Fи выходные воздействия Y

звено

Рис. 1.10

<img src="/cache/referats/16361/image016.gif" v:shapes="_x0000_s1867 _x0000_s1216 _x0000_s1217 _x0000_s1218 _x0000_s1219 _x0000_s1220 _x0000_s1221 _x0000_s1222 _x0000_s1223 _x0000_s1866">Под влиянием этих воздействий выходная величина можетизменяться. При этом при поступлении на вход системы нового задания она должнаобеспечить с заданной степенью точности новое значение регулируемой величины вустановившемся режиме.

Установившийсярежим — это режим, при котором расхождениемежду истинным значением регулируемой величины и ее заданным значением будетпостоянным во времени.

2.2. Статические характеристики.

ууст

Рис. 1.11

<img src="/cache/referats/16361/image017.gif" v:shapes="_x0000_s1869 _x0000_s1691 _x0000_s1224 _x0000_s1225 _x0000_s1226 _x0000_s1227 _x0000_s1689 _x0000_s1690 _x0000_s1868">Статическойхарактеристикойэлементаназывается зависимость установившихся значений выходной величины от значениявеличины на входе системы, т.е.

yуст= j

(х).

Статическую характеристику (см. рис. 1.11) частоизображают графически в виде кривой у(х).

Статическимназывается элемент, у которого при постоянном входномвоздействии с течением времени устанавливается постоянная выходная величина.Например, при подаче на вход нагревателя различных значений напряжения он будетнагреваться до соответствующих этим напряжениям значений температуры.

Астатическимназывается элемент, у которого при постоянном входномвоздействии сигнал на выходе непрерывно растет с постоянной скоростью,ускорением и т.д.

Линейнымстатическим элементомназываетсябезинерционный элемент, обладающий линейной статической характеристикой:

ууст = К*х + а0.

Как видно, статическая характеристикаэлемента в данном случае имеет вид прямой с коэффициентом наклона К.

Линейные статические характеристики, вотличие от нелинейных, более удобны для изучения благодаря своей простоте. Еслимодель объекта нелинейна, то обычно ее преобразуют к линейному виду путемлинеаризации.

САУназывается статической, еслипри постоянном входном воздействии ошибка управления е стремится к постоянномузначению, зависящему от величины воздействия.

САУназывается астатической, еслипри постоянном входном воздействии ошибка управления стремится к нулю вне зависимостиот величины воздействия.

2.3. Динамические характеристики.

Переход системы от одногоустановившегося режима к другому при каких-либо входных воздействиях называетсяпереходным процессом. Переходные процессы могут изображаться графически в видекривой y(t).

у, °

ууст

Рис. 1.12

<img src="/cache/referats/16361/image018.gif" v:shapes="_x0000_s1693 _x0000_s1229 _x0000_s1230 _x0000_s1231 _x0000_s1232 _x0000_s1233 _x0000_s1234 _x0000_s1235 _x0000_s1692"> Например,процесс нагрева сушильного шкафа до установившегося значения может иметь вид,представленный на рисунке 1.12.

То есть,переходный процесс характеризует динамические свойства системы, ее поведение.

Поскольку входные воздействия могутизменяться во времени, то и переходные характеристики будут каждый раз разные.Для простоты анализа систем входные воздействия приводят к одному из типовыхвидов (см. рис. 1.13).

а) единичное

ступенчатое

б) d

-функция

(дельта-функция,

импульс)

в) линейное

г) синусоидальное (гармоническое)

Рис. 1.13

В зависимости от вида входноговоздействия функция у(t) может иметьразное обозначение:

Переходнойхарактеристи

еще рефераты