Конспект лекций по дисциплине Контроль и управление техническими системами для бакалавров и магистров направления 150400
 Скачать 5.27 Mb.
|
|
S k×k = s ij , i=1 .. k , j=1 ..k , где k — количество вершин, а компоненты s ij определены следующим образом: s ij = { 1, если вершины m i и m j - смежные, 0, если вершины m i и m j - не смежные. Матрица смежности для неориентированного графа симметрична, все диагональные компоненты s ii равны 1, поскольку вход и выход вершины не различимы. Для ориентированного графа в общем случае матрица не симметрична, а диагональный элемент s ii равен 0, если у вершины mi вход и выход не соединены (нет петли), и равен 1 в противном случае. Матрицу смежности удобно представлять в электронных таблицах. Обычно таблицу снабжают заголовками. Матрица смежности в табличной форме для неориентированного графа, представленного плоской схемой (рис. 8 а), приведена в таблице 1. Таблица 1. Матрица смежности для графа на рисунке 8, а m 1 m 2 m 3 m 4 m 5 m 1 1 1 1 0 0 m 2 1 1 0 1 0 m 3 1 0 1 1 1 m 4 0 1 1 1 1 m 5 0 0 1 1 1 При представлении в табличном виде матрицы смежности для ориентированного графа заголовок слева относится к вершинам-донорам — источникам связи, верхний заголовок соответствует вершинам- акцепторам — приемникам связи. Ясно, что такая градация не имеет смысла для неориентированного графа. В таблице 2 представлена матрица смежности для графа на рисунке 8, б. Она несимметрична и диагональный компонент равен 1 только для вершины m 5 Таблица 2. Матрица смежности для графа на рисунке 8, б m 1 m 2 m 3 m 4 m 5 m 1 0 1 0 0 0 m 2 0 0 0 1 0 m 3 1 0 0 0 0 m 4 0 0 1 0 1 m 5 0 0 1 0 1 - 25 - Единица на пересечении строки m 1 и столбца m 2 означает, что связь (поток вещества, энергии или информации) выходит из элемента m 1 и приходит к элементу m 2 , а единица на пересечении строки m 5 и столбца m 5 говорит, что такой поток выходит из элемента m 5 и снова возвращается на его вход. Матрицей инцидентности называют прямоугольную матрицу, представляемую в виде A k×r = a ij ,i=1.. k , j=1..r , где k — количество вершин, r — количество связей. Компоненты матрицы определены так: a ij = { 1,если связь j инцидентна вершине i , − 1,если связь j коинцидентна вершине i , 0, в остальных случаях. В такой форме могут быть представлены только графы, не содержащие нейтральных связей и петель. Нетрудно заметить, что ни для графа на рисунке 8 а, ни для графа на рисунке 8 б, матрица инцидентности не определена, поскольку некоторые компоненты этой матрицы должны одновременно приобретать значения «1» и «-1». Корректным способом является представление инцидентности в расщепленной форме матрицами A k×r + и A k×r - с компонентами: a ij + = { 1 , если связь j инцидентна вершине i , 0, в остальных случаях, a ij - = { 1 ,если связь j коинцидентна вершине i , 0, в остальных случаях. Все компоненты матриц A k×r + и A k×r - неотрицательны и определены вне зависимости от наличия петель и нейтральных связей. Таблицами 3 и 4 представлены матрица A k×r + и матрица A k×r - для графа на рисунке 8 б. Между матрицами смежности и инцидентности существует важная связь: для графа без петель и нейтральных связей S k×k = A k× r + ⋅ A k×r - T . При наличии нейтральных связей диагональные элементы матрицы смежности s ii , вычисленные по этой формуле, приобретают значение равное количеству связейэлемента i. Таблица 3. Матрица инцидентности A k×r + для графа на рисунке 8, б f 1 f 2 f 3 f 4 f 5 f 6 f 7 m 1 1 0 0 0 0 0 0 m 2 0 0 0 1 0 0 0 m 3 0 1 0 0 0 0 0 m 4 0 0 1 0 1 0 0 m 5 0 0 0 0 0 1 1 - 26 - Таблица 4. Матрица коинцидентности A k×r - для графа на рисунке 8, б f 1 f 2 f 3 f 4 f 5 f 6 f 7 m 1 0 1 0 0 0 0 0 m 2 1 0 0 0 0 0 0 m 3 0 0 1 0 0 1 0 m 4 0 0 0 1 0 0 0 m 5 0 0 0 0 1 0 1 Матричное представление дает возможность найти количественные значения ряда важных характеристик графа. По матрице смежности определяют «влиятельность» и «могущественность» вершин графа. Свойство «влиятельность» F i 0 количественно показывает какие и сколько элементов зависят от элемента i и может быть посчитано суммированием по i-той строке матрицы смежности: F i 0 = ∑ j=1, j≠i k s ij , k — количество вершин. В правильно спроектированной системе влиятельности отдельных вершин не должны сильно различаться. В технических и технологических системах самая влиятельная вершина определяет «узкое» место. В машине такие узлы и детали будут быстрее выходить из строя, в технологии — будут приводить к заторам и простоям. Уменьшение влиятельности достигается за счет дублирования «влиятельных» элементов или перераспределения потоков. Могущественность количественно характеризуется величиной F i r ,r 0 и находится итерациями: F i r = ∑ j=1, j≠i k F j r−1 s ij . В первой итерации используется значение влиятельности F i 0 . Количество итераций не должно превышать k-1. Часто могущественность вершины количественно характеризуют ее рангом. Для этого все вершины ранжируют в порядке убывания величины F i r . Вершина с максимальным значением F i r получает самый высокий ранг «1», с минимальным значением — низший ранг. Вершины с одинаковыми значениями F i r имеют одинаковые ранги. Чем выше ранг, тем могущественнее вершина. В процессе итераций ранги вершин могут меняться. В теории графов имеется теорема, доказательство которой мы здесь не приводим: Если все ранги вершин не изменились в двух последовательных итерациях могущественности, то они не изменятся и при - 27 - последующих итерациях. Поэтому, если в двух последовательно выполненных итерациях ранги не изменились, то итерации можно прекратить. Это позволяет значительно ускорить процесс оценки могущественности вершин, что очень существенно при большом количестве вершин (графы при моделировании реальных структур могут насчитывать десятки тысяч вершин). Говорят, что могущественность вершины показывает насколько влиятельны вершины, зависящие от данной. Могущественность, в отличие от влиятельности, не свидетельствует об узком месте, а наоборот, определяет наиболее важный элемент (узел, деталь, операцию, участок), обеспечивая для которого условия «наибольшего благоприятствования» можно влиять на улучшение функционирования системы в целом. Например, при анализе работы одного из волочильных цехов обнаружили, что наибольшей могущественностью обладает не основной участок цеха, а участок, отвечающий за подготовку и хранение инструмента. Улучшение контроля за этим участком привело к уменьшению простоев, повышению качества продукции и сокращению затрат на производство. Анализ моделей структур с использованием матриц инцидентности позволяет выявить выходы и входы системы — тупиковые(рис. 9, а) и висячие(рис. 9, б) вершины, выделить повторяющиеся цепи (циклы и контуры) в сложных многозвенных объектах. Более детально ознакомиться с возможностями анализа структур с помощью теории графов можно по специальной литературе. Мы рассмотрели простой случай представления графов в котором учитывается только отсутствие (0) или наличие (1) связи. В реальных объектах одна связь может быть очень сильной, другая достаточно слабой, но на графе, а, следовательно, и в матрицах они будут представлены одинаково. Понятно, что оценка влиятельности и могущественности в этом случае не будет отражать реальное состояние моделируемого объекта. Чтобы учесть различия в важности связей каждой дуге графа сопоставляют вес. Граф, для всех дуг которого указан вес, называют взвешенным. В матрицах смежности и инцидентности вместо единиц тоже указывают вес. В качестве веса может быть использована любая количественная неотрицательная оценка силы или мощности связи, однако, принято выбирать безразмерные, приведенные к отрезку [0,1] характеристики. Например, в качестве веса корреляционной связи выбирают абсолютную величину коэффициента парной корреляции. Безразмерная, приведенная к отрезку [0,1] величина f i ,i=1,.. ,r для оценки силы или мощности связи ( стр.11 ), также может быть назначена в качестве веса. m а) б) m Рис. 9. Выход а) и вход б) системы - 28 - Задав матрицу весов P r ×r =( p ij ) , p ii = ̂ f i ; p ij = 0, i≠ j ; i=1 ,.. ,r , j=1, .. ,r , можно представить взвешенный граф следующей матрицей смежности: ̃S k × k = A k× r + ⋅ P r × r ⋅( A k× r - ) T . Матрицу ̃S k × k называют взвешенной матрицей смежности. 2. Системы контроля и управления технологическими процессами В металлургии для контроля и управления технологическими процессами используется большой спектр автоматических и автоматизированных систем. 2.1. Классификация систем По назначению можно, в порядке возрастания сложности можно выделить следующие группы: Системы защиты и блокировки Системы защиты предназначены для защиты оборудования, персонала и окружающей среды при нештатном протекании процесса, угрожающем аварией с тяжелыми последствиями. Это могут быть устройства, обеспечивающие автоматическое отключение рабочей машины или ее узла, отключение притока расходного материала (газа, жидкости, металла) или автоматическое перекрытие аварийной зоны. После срабатывания защиты необходимо осуществить устранение причины нештатной ситуации и выполнить запуск системы. Устройства защиты могут быть достаточно простыми. Самый простой способ защиты — использование разрушаемых элементов. Например, это плавкие предохранители в электрической цепи, механически разрушаемые элементы в кинематических цепях (пальцы муфт, срезные кольца в нажимных механизмах, мембраны в системах высокого давления). Такие элементы предохраняют от механической перегрузки, короткого замыкания в электрической цепи, броска давления газа или жидкости. В сложных случаях применяют более «интеллектуальные» устройства — токовые реле, автоматы защиты, тепловые реле, механизмы, использующие расходуемый ресурс. Такие устройства срабатывают при критическом накоплении опасного воздействия. Их назначение — предотвращение аварий при продолжительном отклонении параметров от номинального значения, например, когда такое отклонение ведет к перегреву двигателя или подводящих проводов, утечке вредного или опасного вещества из системы, усталости или износу жизненно важных деталей конструкции. Системы блокировки применяют для согласования работы связанных механизмов и для временной приостановки выполнения текущей операции при возникновении устранимой нештатной ситуации, не угрожающей серьезной аварией. Так блокируется, например, подача очередной заготовки, пока не завершена обработка предыдущей, или приостанавливается движение исполнительного органа, если в зоне движения оказалась рука оператора. После устранения нештатной ситуации выполнение операции возобновляется без участия человека. - 29 - Системы блокировки могут быть тоже достаточно простыми. Например, при открывании крышки блока, содержащего элементы, находящиеся под опасным напряжением, отключают питание блока. Для этого достаточно, чтобы питание поступало через перемычку, жестко закрепленную на крышке. Существуют и значительно более сложные блокирующие устройства. Они могут быть выполнены с использованием программируемых логических контроллеров, электромеханических командоаппаратов, логических электронных схем. Такие системы блокировки способны анализировать множество нештатных ситуаций различного происхождения и адекватно реагировать при их возникновении. Системы пуска и остан овки Эти системы обеспечивают начало и завершение работы автоматического или автоматизированного устройства. Подробно вопросы работы таких систем на базе электропривода рассматриваются в курсе «электротехника и электроника». Основной задачей таких систем является обеспечение плавного безударного перехода из одного состояния в другое. В не электрических цепях плавность пуска и останова обеспечивается временным включением демпфирующих устройств, элементов с переменным сопротивлением потоку жидкостей или газов. Например, обычный вентиль в гидравлической системе в отличие от клапана обеспечивает управление потоком жидкости без гидравлических ударов. Системы автоматической регистрации Такие системы используют для автоматической регистрации параметров технологического процесса и текущего состояния оборудования. Распространение этих систем в цехах обработки металлов давлением весьма широко и имеет огромные перспективы. Если два десятка лет назад они использовались главным образом для контроля за режимами термообработки, расходом электроэнергии, газа и воды, то в современных цехах регистрируются почти все параметры, которые могут оказать влияние на качество готовой продукции и экономические показатели. Ведется учет расходных материалов и металла, регистрируются условия выполнения технологических операций — температуры, давления, скорости, коэффициенты деформации. Регистрируется время и исполнитель технологической операции, результаты промежуточного контроля, расход инструмента и смазки. Все это стало возможным благодаря применению цифровых систем и интегрированных средств контроля. Результаты, как правило, представляются в виде файлов стандартизованных форматов и хранятся на электронных носителях. Тем не менее, во многих случаях еще находят применение самопишущие приборы контроля, выдающие информацию на бумажный носитель. Заверенный соответствующим образом, этот материал может служить юридическим документом при расследовании несчастных случаев и катастроф. Системы автоматического регулирования Системы автоматического регулирования (САР) являются важнейшей составной частью автоматического и автоматизированного оборудования, применяемого в цехах ОМД. Основная функция этих систем — - 30 - поддержание значения контролируемого параметра в заданном диапазоне при наличии возмущений. В частности, САР обеспечивают удержание заданных частоты вращения приводов рабочих машин при изменении нагрузки, температуры нагрева металла, давления в гидравлических и пневматических системах, концентрации травильных растворов, наконец, уровня освещенности в цехе, и еще многое и многое другое. В зависимости от принципа работы, особенностей устройства, правил выработки управляющих воздействий и области применения, САР, в свою очередь, дробятся на множество классов. Подробно классификация САР и их работа будут рассмотрены в главе 3. Системы автоматического управления Системы автоматического управления (САУ) интегрируют в себе практически все предыдущие системы. Они могут включать системы пуска и останова, блокировки и защиты, регистрации и автоматического регулирования. Функция САУ — изменение контролируемого параметра (параметров) по заданному закону и (или) обеспечение заданной последовательности действий, движений. Таким образом, если в процессе работы прокатного стана нужно, например, поддерживать заданную величину натяжения, то достаточно для этой цели простой САР. Если же в процессе прокатки нужно автоматически изменять частоту и направление вращения валков, то без системы автоматического управления уже не обойтись. Автоматизированные системы управления технологическим процессом Современное состояние автоматизации процессов обработки металлов давлением характеризуется широким применением автоматизированных систем управления технологическими процессами(АСУ ТП). АСУ ТП — это автоматизированная система для выработки и реализации управляющих воздействий на технологический объект управления в соответствии с принятым критерием качества управления. То есть, в АСУ ТП предполагается наличие оптимизации управляющих воздействий. В этом заключается основное отличие САУ и АСУ ТП. Кроме того, как ясно из названия, использование АСУ ТП предполагает включение в систему человека. Во многих случаях, в качестве критерия качества управления рассматриваются экономические показатели. Поэтому наиболее подробно АСУ ТП изучаются в экономических дисциплинах. АСУ ТП может содержать в себе все выше перечисленные системы и, в свою очередь, органически включена в системы следующего уровня иерархии, объединяемые общим названием АСУ. АСУ (автоматизированная система управления) предполагает наличие организационных структур, схем принятия технических и организационных решений и наличия лица принимающего решения. Для создания и анализа АСУ необходим учет психологических и личностных факторов, поэтому АСУ не может рассматриваться лишь в техническом аспекте. По принципу действия различают системы непрерывного и дискретного действия. В системах непрерывного действия управляющие воздействия определены для всех точек множества времени - 31 - T={t : t t t } . Здесь t — момент начала процесса управления, t — момент завершения процесса. Например, для удержания в заданном диапазоне толщины полосы при прокатке необходимо непрерывно измерять ее на выходе из валков и соответственно изменять с помощью нажимного устройства расстояние между валками. Система все время работы машины находится в активном состоянии: непрерывно отслеживает изменения толщины полосы и вырабатывает управляющее воздействие, изменяющее зазор между валками. В системах дискретного действия управляющие воздействия определены лишь отдельных точек множества времени T={t : t ∈{t 1 ,t 2 ,... ,t k }} . Кстати, последнее не относится к измерению контролируемого параметра. Как правило, контролируемый параметр отслеживается непрерывно, а управляющие воздействия вырабатываются лишь по необходимости. Например, в обыкновенном электрическом утюге, знакомом всем хозяйкам, нагрев включается, если температура его поверхности ниже необходимой, и выключается при достижении заданной температуры. По представлению информации различают аналоговые и цифровые системы автоматики. В аналоговых системах информация о контролируемых параметрах и управляющих воздействиях представлена непрерывными (аналоговыми) сигналами, в цифровых — дискретными знаковыми (цифровыми) сигналами. Подробнее основные различия между аналоговыми и цифровыми сигналами будут рассмотрены при анализе сигналов в каналах связи информационных систем. 2.2. Общая структурная схема системы контроля и управления Принято рассматривать два варианта схем автоматических систем — структурные схемы и функциональные схемы. В предыдущем разделе было дано определение структуры. Схему, в которой представлена структура системы, мы будем называть структурной схемой. Эта схема отображает элементы системы и связи между ними, а также их взаимное расположение в пространстве и времени. При этом абстрагируются от свойств, физической природы элементов и выполняемых ими функций. При представлении функциональных схем основное внимание обращено на функции, выполняемыми элементами системы. Функциональные схемы будут рассмотрены в главе 3 на примерах САР. Здесь же мы рассмотрим общую структурную схему, ее основные элементы и связи между ними (рис.1). В наиболее полном общем случае автоматическая система (АСУ ТП, САУ) содержит восемь подсистем. Это объект управления, подсистема измерения, подсистема оценки состояния, подсистема управления, а также подсистема настройки управления, подсистема настройки оценки состояния, подсистема идентификации и подсистема оптимизации. Потоки вещества, энергии и информации определяющие обмен системы с внешней средой на рисунке 1 обозначены красными стрелками. Объект управления получает, в общем случае, из внешней среды вещество, энергию и информацию (В,Э,И) и отдает преобразованные вещество, - 32 - энергию и информацию (В',Э',И') обратно во внешнюю среду. Кроме того, из внешней среды на систему воздействуют случайные, изменяющиеся во времени и не несущие полезной информации сигналы (t) — помехи. Помехи могут опасно воздействовать на систему, искажая результаты измерений, оценки и команды, отдаваемые подсистемой управления. Помехи порождаются либо техногенными, либо природными причинами. Источники помех и способы борьбы с ними будут обсуждаться в главе 2. Перечисленные подсистемы обмениваются сигналами, содержащими необходимую для функционирования системы автоматики информацию. Потоки информации, циркулирующие между подсистемами на рисунке показаны цветными линиями. Эти потоки образуют информационные связи. Сплошными синими линиями показаны связи, без которых функционирование автоматической системы невозможно. Подсистемы, Подсистема идентифи- кации Подсистема оптимизации Настройка управления Настройка оценки Подсистема управления Подсистема оценки Объект управления Подсистема измерений В,Э,И В',Э',И' P , Z , X P ,Z , X t Y U U' Y' Y e U e D F M e M U o Y Рис.10. Общая структурная схема системы контроля и управления. - 33 - соединенные этими связями образуют главную обратную связь (ГОС). Они определяют функционирование системы. Главная обратная связь всегда присутствует в любой автоматической системе. Она может быть неявно выраженной, реализованной через внешнюю среду или даже быть разорванной во времени (программное управление). Но при ее отсутствии никакое автоматическое управление невозможно. В автоматизированных системах элементом главной обратной связи может являться человек — оператор. В этом случае информационные связи приобретают стохастический характер. Информационное наполнение ГОС определяется функциями подсистем. В частности, это ● информация о входах (множество P), состоянии (множество Z) и выходах (множество X) объекта управления; ● измерения, загрязненные помехами (множество Y); ● оценки входного процесса (множество P ), состояния (множество Z ) и выходного процесса (множество X ); ● управляющие воздействия — команды (множество U). Пояснить работу ГОС можно следующим образом. Объект управления является основным элементом, определяющим информационное наполнение ГОС. Он должен быть снабжен устройствами, распознающими и выполняющими команды подсистемы управления. Потоки вещества, энергии и информации через объект управления должны быть доступны для измерения в любой момент времени. То есть, объект управления в момент времени t содержит всю информацию о входном процессе P= p 1 t p 2 t p k t , о состоянии Z= z 1 t z 2 t z n t и выходном процессе X= x 1 t x 2 t x m t Величину k называют размерностью входного процесса, n — размерностью объекта управления, m — размерностью выходного процесса. Из-за физических ограничений в системах контроля и управления обычно доступна не вся информация, а лишь небольшая ее часть. Подсистема измерений получает информацию через первичные преобразователи лишь о наиболее существенных характеристиках входов и выходов объекта управления. О состоянии самого объекта, как уже обсуждалось в предыдущей главе, получить информацию можно лишь косвенно — через его входы и выходы. Информация, полученная подсистемой измерений дополнительно искажена помехами и обычно представлена вектором измерений Y= y 1 t y 2 t y l t Понятно, что размерность l этого вектора существенно меньше общей - 34 - размерности входного процесса, состояния и выходного процесса. Подсистема оценки состояния, анализируя измерения Y с использованием алгоритмов фильтрации и обработки информации, получает оценки входного процесса P , состояния Z и выходного процесса X : P= p 1 t p 2 t p k t , Z= z 1 t z 2 t z n t и X= x 1 t x 2 t x m t Подсистемой оценки состояния для получения оценок используется дополнительная информация. В частности, это заданные значения контролируемых параметров — «уставки». Кроме того, это формулы и таблицы, позволяющие перейти от измерений к оценкам реального значения параметра, например, от сигнала термопары в милливольтах перейти к температуре в градусах Цельсия или по току в диагонали моста месдозы (в миллиамперах) оценить силу, действующую на валок (в единицах силы). Вся совокупность дополнительных данных для оценки состояния на рисунке представлена вектором Y' размерности r Y'= y ' 1 t y ' 2 t y ' r t Эти данные либо напрямую устанавливаются из внешней среды при настройке системы, либо вырабатываются подсистемой настройки оценки состояния на основе данных для настройки. Как правило, при настройке системы автоматики используются и тот и другой метод одновременно. Часть данных — тарировочные таблицы, коэффициенты преобразования размерностей, допуски на значения параметров задают напрямую. Требуемые значения параметров задают в виде, удобном для оператора. Например, целесообразно задавать требуемое значение частоты вращения в оборотах в минуту, а не в радианах или напряжениях тахометра, соответствующих выбранной частоте. Вся совокупность данных из внешней среды для настройки системы на рисунке 1 представлена вектором Y e . Y e = y 1 e t y 2 e t y r e t В старых системах автоматического регулирования часто использовалась простейшая оценка состояния — величина отклонения измеренного значения контролируемого параметра от заданного его значения. Например, с помощью тахометра в момент времени t измерена частота вращения двигателя x 1 t и получен сигнал от измерительной подсистемы y 1 t . На вход подсистемы настройки состояния подано значение требуемой в этот момент времени частоты вращения двигателя - 35 - y 1 e t . Последнее подсистемой настройки состояния преобразуется в напряжение y ' 1 t . Тогда оценкой состояния будет разность x 1 t = y' 1 t − y 1 t . Эта разность положительна, если частота вращения меньше заданной, и подсистема управления должна выработать команду на ускорение, например, увеличить ток в обмотке двигателя. В противном случае должна быть выдана команда на замедление. Нетрудно догадаться, что реализация такой системы достаточно проста. В качестве подсистемы настройки может быть использован обычный переменный резистор, включенный по потенциометрической схеме и проградуированный в оборотах в минуту. Разность напряжений резистора-потенциометра и датчика-тахометра даст оценку частоты вращения. Оценки состояния подают на вход подсистемы управления. По этим оценкам подсистема управления вырабатывает управляющие воздействия — команды. Поток этих команд U U= u 1 t u 2 t u p t поступает в объект управления, замыкая главную обратную связь. Размерность вектора управлений p, как правило, не велика и определяется возможностями объекта управления. Для двигателей это, например, управление током и магнитным потоком в обмотке возбуждения. Больше размерность управлений, например, в секционной нагревательной печи, где управляющие воздействия должны быть генерированы для каждой секции. Подсистема управления иногда может быть очень простым устройством. Для рассмотренного выше примера достаточно использовать простой усилитель, который будет увеличивать ток через обмотку при положительной оценке, уменьшать — при отрицательной и поддерживать номинальный ток при номинальной частоте вращения, когда отклонение равно нулю. В подсистему управления могут быть поданы сигналы для настройки управляющих воздействий U': U'= u' 1 t u' 2 t u' p t Это, например, предельные величины тока, коэффициенты усиления, характеризующие инерционность объекта управления постоянные и другие параметры и переменные. Такие сигналы вырабатываются подсистемой настройки управления на основе входной информации U e = u 1 e t u 2 e t u p e t . Информация U e обычно бывает представлена в удобной для - 36 - восприятия форме — в виде проградуированных шкал, визуального графического или текстового представления на мониторе, кнопок и верньеров с надписями и тому подобного. Четыре подсистемы — подсистема настройки управления, подсистема настройки оценки состояния, подсистема идентификации и подсистема оптимизации не входят в главную обратную связь и не являются необходимыми для автоматической работы. В этом случае, параметры настройки, изображённые на рисунке черными пунктирными линиями, подают в подсистемы оценки состояния и управления минуя подсистемы настройки, то есть, U'=U e ; Y'=Y e . Однако, современные автоматические системы контроля и управления обычно включают все подсистемы, приведенные на рисунке. Рассмотрим их назначение и информационные потоки через эти подсистемы. Назначение подсистемы настройки управления и подсистемы настройки оценки состояния ясно из предыдущего. Данные подсистемы преобразуют к машинной форме, представленные в удобной для наладчика системы форме входные параметры. Если такие подсистемы отсутствуют, то настройщик сам должен обеспечить преобразование, то есть, он, например, должен помнить сколько оборотов отвертки приведут к изменению частоты вращения на один оборот в минуту. Особо стоят подсистемы идентификации и оптимизации. До недавних пор эти подсистемы были достаточно экзотическими, использовались редко и случаи их применения рассматривались как высочайшие достижения автоматизации, а системы, их включающие, получали собственные имена, например, «система адаптивного управления горячей прокаткой труб на стане 30-102». В настоящее время не включать такие подсистемы считается дурным тоном у специалистов по управлению. В процессе эксплуатации изменяются характеристики оборудования, заготовки, инструмента. В результате, идеально подобранные настройки становятся не идеальными и требуют корректировки. Коррекцию настроек можно производить автоматически, если в подсистемах настройки заложить модель процесса M, изменяющуюся в реальном времени. Такое изменение модели обеспечивают подсистемы идентификации. На входе этой подсистемы формируют обобщенную модель процесса M e в виде систем алгебраических или дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами. Вначале коэффициенты модели определены для номинального состояния процесса и оборудования. На основе такой модели конструируются алгоритмы настройки режимов автоматической работы системы. По мере эксплуатации системы ее параметры уходят от тех, для которых были заданы коэффициенты модели. Определение поправок для значений коэффициентов осуществляется подсистемой идентификации в процессе работы системы путем подачи идентифицирующих воздействий D на объект управления и анализа результатов измерений. Идентифицирующие воздействия — это слабые сигналы импульсного или синусоидального характера, не мешающие основным управляющим воздействиям. Благодаря тому что характеристики идентифицирующих сигналов известны, по модели можно рассчитать каким должен быть - 37 - сигнал на выходе подсистемы измерений. Расхождение рассчитанного и измеренного значений свидетельствует об изменении объекта, не отраженном в модели. Корректируя коэффициенты модели, подсистема идентификации добивается близости (с заданной точностью) расчетных и измеренных результатов. Таким образом, в процессе работы системы автоматики модель М непрерывно корректируется, адаптируясь к изменяющимся условиям. Такие системы часто называют «адаптивными системами управления». Имея модель объекта управления можно решить задачу оптимального управления. Для этого, как известно, нужна оптимизационная модель. Чтобы модель М стала оптимизационной, ее нужно дополнить целевой функцией F. Последнююзадают извне при настройке системы. В качестве цели может быть выбрано уменьшение энергозатрат, повышение быстродействия или устойчивости процесса. На основе модели М и целевой функции F подсистема оптимизации находит такой вектор управляющих воздействий U o U o = u 1 o t u 2 o t u p o t , при котором целевая функция имеет наилучшее значение. Найденный вектор соответствует условиям, которые могут измениться за время расчета. Поэтому требования к быстродействию подсистемы оптимизации весьма высоки. В связи с этим, непосредственно использовать оптимальные управления подсистема управления не должна. Обычно в алгоритм управления закладывают требование близости оптимального набора управляющих воздействий U o и U — реализуемых подсистемой управления на основе оценки состояния, то есть ∥U o − U∥ min. Как видно из структурной схемы, все элементы системы контроля и управления, может быть кроме самого объекта управления, получают, обрабатывают и выдают информацию в весьма специфичных формах. Таким образом, можно утверждать, что любая система контроля и управления есть ничто иное, как информационная система, в которой осуществляется сбор, обработка и передача информации, представленной в виде электрических, механических, оптических и других сигналов и состояний. При моделировании систем контроля и управления наряду со структурными схемами часто используют функциональные схемы. На функциональной схеме, как следует из названия, отображаются функции, выполняемые элементами в последовательности их выполнения. Почти все элементы функциональной схемы имеют один вход и один выход. Исключение представляет элемент, называемый сумматором, который может иметь два и более входов. Более подробно описание функциональных схем на примере системы регулирования приведено в разделе 4 «Статика и динамика управляемых объектов» |