Учебник для прикладного бакалавриата 2е издание, исправленное и дополненное
 Скачать 346.13 Kb.
|
|
Глава 1.2 . ОБЪЕКТЫ АВТОМАТИЗАЦИИ Виды и характеристики объектов автоматизации В качестве объектов автоматизации (ОА) можно понимать либо мате- риальные объекты (помещения, установки, машины, выполняющие технологические процессы), либо непосредственно сами технологиче- ские процессы. Единого мнения по определению ОА пока нет. С одной стороны, важна эффективность технологических процессов. И в этом смысле под ОА целесообразно понимать именно сам процесс. Например, процессы кормораздачи, горения пламени, формирования биомассы, обработки и накопления информации. С другой стороны, большин- ство технологических процессов происходит в материальных объектах: животноводческих фермах, калориферах, теплицах, процессорах и т. п. И человек воздействует на эти процессы, как правило, с помощью мате- риальных органов. Поэтому в качестве ОА столь же обоснованно можно принимать материальные носители технологических процессов. Технологический процесс как ОА характеризуется несколькими качественными и количественными показателями, на которые влияет ряд возмущающих и управляющих воздействий. Одни возмущения, влияющие на ход ТП, можно контролировать (прирост массы живот- ных на откорме, наступление фазы цветения растений), а другие могут иметь случайный и неконтролируемый характер (поломки оборудова- ния, заболевания животных и растений). Управляющие воздействия регламентируются распорядком дня, режимом работы технологиче- ского оборудования, производственными инструкциями и т. д. Технологическая установка как ОА характеризуется некоторыми показателями качества — технологическими параметрами, являющи- мися выходными координатами, а также искусственно создаваемыми входными воздействиями, прямо или косвенно влияющими на состо- яние ОА. Простейшие ОА имеют одну выходную величину и соответственно одно входное воздействие. Например, у водонагревателя-термоса выходной величиной (параметром) является температура воды, а регу- лирующим воздействием — электрическое напряжение U c , подаваемое на электронагреватели (рис. 1.1). 28 К простым можно отнести также технологические установки с несколькими входными и выходными координатами, если между этими координатами не существует функциональных взаимосвязей. Такой объект можно рассматривать как несколько простейших по соот- ветствующим параметрам и каналам входных воздействий. Например, в свинарниках при смешивании комбикорма с водой и другими добав- ками процессы заполнения смесителя компонентами вполне допустимо рассматривать раздельно (рис. 1.2). И наконец, сложные объекты с несколькими взаимосвязанными входными и выходными координатами требуют учета взаимного вли- яния смежных воздействий и параметров. Например, при регулиро- вании микроклимата вентиляция влияет не только на концентрацию газов СО 2 , NH 3 , H 2 S в помещении, но и на температуру и влажность. В свою очередь испарение повышает влажность и понижает темпера- туру (рис. 1.3). α (U c ) OA у ( θ в ) Рис. 1.1. Водонагреватель-термос как объект регулирования: α — входная величина (электрическое напряжение (U c ); у — выходная величина (температура воды θ в ) α 2 (Q к ) α 1 (Q в ) OA у 1 (w кс ) у 2 (С к ) OA Рис. 1.2. Кормосмеситель как объект управления загрузкой: α 1 , α 2 — входные воздействия (подача воды Q в и комбикорма Q к в смеситель); y 1 , y 2 — выходные величины (влагосодержание кормосмеси w кс и концентрация в ней корма С к ) При небольшом числе взаимосвязанных координат обычно удается установить главные для данного процесса параметры, которым следует отдать предпочтение в процессе управления. Тогда остальные параме- тры можно рассматривать как второстепенные (зависимые). Однако в современном сельскохозяйственном производстве много технологических объектов, гораздо более сложных по структуре вза- имосвязей. Например, птицеферма представляет собой объект с мно- жеством выходных координат (параметры микроклимата, кормления, освещения, уборки помета и сбора яиц, поения и санитарного состоя- ния) и целым рядом управляемых воздействий по обслуживанию птиц. Между этими координатами существуют определенные связи. Все рассмотренные объекты автоматизации имеют сложную вну- треннюю структуру и могут быть представлены рядом элементарных функциональных звеньев, определенным образом соединенных между 29 собой. В простейшем случае в структуре ОА можно выделить объект управления ОУ (рис. 1.4) — технологический процесс, рассматривае- мый изолированно, и регулирующий орган РО — устройство, обеспе- чивающее целенаправленное воздействие х р на ОУ. α 1 (Z в ) α 2 (Q н ) α 3 (w y ) у 1 (С СО2 ) у 2 ( θ в ) у 2 ( ϕ , %) OA Рис. 1.3. Птичник как объект регулирования микроклимата: α 1 , α 2 , α 3 — входные величины; у 1 , у 2 , у 3 — выходные величины х р α у OA OУ РO Рис. 1.4. Структура простейшего объекта автоматизации: x р — целенаправленное воздействие Взаимосвязь между обобщенными координатами объектов управ- ления выражается статическими и динамическими характеристиками. Статическая характеристика ОУ представляет собой зависимость между выходной координатой у (параметром процесса) и результиру- ющим значением входной координаты х — воздействием в установив- шемся режиме, т. е. функцию у = f(х) (рис. 1.5). Как очевидно из графика, статическая характеристика может быть линейной (1)и нелинейной (2 или 3). Следует иметь в виду, что статическую характеристику может иметь только статический объект, т. е. такой, который при любом зна- чении х имеет определенное положение и соответствующее ему значе- ние у. 1 2 3 у х Рис. 1.5. Статические характеристики объектов управления 30 Если после подачи на вход ОУ воздействия х выходная координата принимает установившееся значение не мгновенно, то такой ОУ назы- вается динамическим и для его описания требуются динамические характеристики. Одной из распространенных характеристик, отражаю- щих динамические свойства ОУ, является кривая переходного процесса. х х 0 х =х 0 =1(t) y (t) y 0 Δ y y уст y t Рис. 1.6. Динамика переходного процесса Эта кривая иллюстрирует зависимость выходной координаты у от времени t при воздействии на вход ОУ единичного ступенчатого сигнала x 0 (рис. 1.6). Структура и принципы управления технологическими процессами В общем виде структура управления ТП показана на рис. 1.7. Все многообразие задач, возникающих в ходе управления ТП,можно клас- сифицировать по трем группам: х 1 ...х n y 1 ...y n Оператор Устройство управления Технологический процесс Измерительные преобразователи Исполнительные механизмы Рис. 1.7. Структурная схема управления ТП автоматическое управление ТП — обеспечивает выработку управля- ющих воздействий и их реализацию на основании информации о всех контролируемых и управляющих величинах. Автоматическую стаби- лизацию регулируемых параметров обеспечивает система автоматиче- ского регулирования (см. гл. 1.1); 31 автоматический контроль за ходом ТП — представляет оператору информацию о ходе ТП, его количественных и качественных показа- телях. Виды автоматического контроля: непрерывный контроль и кон- троль предельных значений; автоматическая сигнализация — оповещает оператора о ходе ТП, предельных или аварийных значениях контролируемых величин, месте и характере нарушения ТП. При автоматизации сельскохозяйственных ТП используют следую- щие принципы: логического управления — применяют для управления поточно- транспортными линиями приготовления и раздачи корма, уборки навоза и т. д. в тех случаях, когда необходимо последовательно пускать, переключать и останавливать механизмы, а также при наличии блокиро- вок, обеспечивающих нормальное функционирование ТП и защиту обо- рудования в аварийных ситуациях. Для логического управления важно знать состояние ТП в предшествующий момент времени. Принцип логи- ческого управления использован, например, в схемах управления обору- дованием в поточно-транспортных системах (АВМ-1,5; КОРК-15 и т. д.); программного управления — реализуют в разомкнутых САУ. Управля- емая величина изменяется по заранее заданной программе. Например, дозу жидкого корма, раздаваемого свиньям, устанавливают в зависимости от состояния животных и поедаемости корма один раз в 10 дней и далее не корректируют. В отличие от принципа логического управления знание состояния ТП в предшествующий момент времени необязательно; управления по отклонению — используют в замкнутых САУ. Например, при регулировании уровня воды в баке водокачки неконтролируемые воз- мущения по нагрузке объекта (изменение расхода воды) или по каналу регулирующего воздействия (изменение подачи насоса) автоматически компенсируются в процессе стабилизации регулируемого параметра (уровня). Недостаток управления по отклонению — низкие эксплуатаци- онные характеристики в случае значительной инерционности объекта; управления по возмущению — используют в разомкнутых САУ. Управ- ляющее воздействие принимают исходя из анализа действующих на систему возмущений. Например, решение о загрузке бункера при- нимают по результатам анализа расходования кормов в связи с тем, что непрерывный контроль уровня сыпучих материалов затруднителен. Недостатки управления по возмущению — накопление ошибки регу- лирования и неспособность управляющего устройства компенсировать непланируемые возмущения; комбинированного управления — это комбинация принципов регу- лирования по отклонению и возмущению. Например, система управ- ления обогревом свинарника включает в себя замкнутую САУ темпера- турой электрообогреваемого пола и разомкнутую систему включения инфракрасного обогрева в зависимости от температуры воздуха. Все пять рассмотренных принципов управления могут быть осущест- влены в системах: 32 местного управления (оператор следит за ходом ТП и управляет им, находясь рядом с технологической линией); дистанционного управления (оператор следит за ходом ТП по мне- мосхеме; при этом улучшаются условия его работы, но контроль за ходом процесса ухудшается); централизованного управления (оператор следит за ходом ТП с цен- трального пульта, имеющего развитую систему контрольно-измери- тельных приборов или ЭВМ). Типовые технические решения при автоматизации технологических процессов Общая задача управления ТП — минимизация (максимизация) неко- торого критерия (себестоимость, затраты энергии и т. д.) при выпол- нении ограничений на технологические параметры, налагаемые регла- ментом. Поскольку решение этой задачи для всего процесса в целом затруднительно, весь ТП следует разбить на отдельные участки, чтобы участок соответствовал законченной технологической операции (кор- моприготовление, обработка молока и т. д.). Тогда для отдельной ста- дии ТП критерий оптимальности установить значительно проще. Технологические процессы одного типа (например, процессы нагрева) могут различаться методами исполнения, физико-химиче- скими свойствами участвующих в них потоков сырья и т. п. Однако все они подчиняются одним и тем же законам и общим закономерностям. К числу технологических параметров, подлежащих контролю и регу- лированию, относят расход, уровень, давление, температуру и ряд пока- зателей качества. Регулирование расхода. Системы регулирования расхода харак- теризуются малой инерционностью и частой пульсацией параметра. Обычно системы управления расходом — это дросселирование потока вещества с помощью клапана или шибера; изменение напора в трубо- проводе за счет изменения частоты вращения лопастей насоса или сте- пени байпасирования (отведения части потока через дополнительные каналы). Принципы действия регуляторов расхода G жидких и газо- образных сред показаны на рис. 1.8. G а б FC FE РC РЕ Рис. 1.8. Схема регулирования расхода: а — жидких и газообразных сред; б — сыпучих материалов; FE, РЕ — датчики расхода соответственно жидких сред и сыпучих материалов; FC, PC — регуляторы расхода 33 Регулирование уровня. Системы регулирования уровня имеют те же особенности, что и системы регулирования расхода. Постоянство уровня свидетельствует о равенстве количеств подаваемой G вх и рас- ходуемой G вых жидкости. Это условие может быть обеспечено воздей- ствием на подачу или расход (рис. 1.9). G вх G вых а LE LC G вх G вых б LE LC Рис. 1.9. Схемы регулирования уровня: а — с воздействием на подачу; б — с воздействием на расход среды; LE — датчик уровня; LC — регулятор уровня Регулирование давления. Постоянство давления, как и постоян- ство уровня, свидетельствует о материальном балансе объекта. Поэ- тому способы регулирования давления аналогичны способам регули- рования уровня. Регулирование температуры. Температура — показатель термо- динамического состояния системы. Динамические характеристики САР температуры зависят от физико-химических параметров процесса и конструкции аппарата, поэтому общие рекомендации по синтезу САР температуры не могут быть сформулированы. Особенность САР температуры — значительная инерционность объ- екта и нередко измерительного преобразователя. Принципы реализа- ции регуляторов температуры аналогичны принципам реализации регуляторов уровня с учетом управления расходом энергии в объекте. Регулирование pH продукта. Общая особенность объектов при регулировании pH — нелинейность их статических характеристик. Следствие этого — необходимость адаптации параметров настройки регулятора к нагрузке объекта. Математическое описание объектов автоматизации Классификация математических моделей. Поскольку многие современные ТП очень сложные, для создания САУ необходимо рас- полагать математическим описанием процессов, происходящих как в самой системе, так и в ее элементах. Под математическим описанием (математической моделью) под- разумевается совокупность уравнений и граничных условий, описы- вающих зависимость выходных величин от входных в установившемся и переходном режимах. Всвязи с этим различают математические модели двух классов: 34 установившегося режима (статическая модель); переходного режима (динамическая модель). Динамические модели имеют вид уравнений, описывающих изме- нение во времени выходных величин систем (элементов) в зависимо- сти от изменения входных. Эти уравнения, как правило, записывают в дифференциальной форме. Их частный случай — дифференциальные уравнения нулевого порядка (алгебраические уравнения) — описы- вают установившийся режим. Таким образом, в общем случае математической моделью системы (элемента) с т входными 1 2 { , ,..., } m x x x X = и n выходными координа- тами 1 2 { , ,..., } n y y y Y = называют совокупность уравнений ( ; ) Y F X a = , однозначно описывающих поведение величины Y при заданных векто- рах X и a, где a — характеристика системы (элемента). Математическая модель может быть получена аналитическим или экспериментальным методом. В последнем случае она может быть детерминированной (выходная величина однозначно определяется входной) или статистической (входные воздействия носят случайный характер). Дифференциальные уравнения простых объектов автоматизации можно составить, используя закономерность происходящих в них физических явлений. Такими закономерностями могут быть закон сохранения вещества (объект регулирования уровня, давления), закон сохранения энергии (объект регулирования температуры), законы электротехники и т. д. Уравнения статических и переходных режимов составляют на базе уравнений балансов вещества или энергии. При составлении дифференциальных уравнений сложного объекта (системы) он (она) должен быть расчленен(-а) на ряд простейших эле- ментов, соединенных последовательно. Для каждого из этих элементов составляют математическую модель статики или динамики, а затем получают дифференциальное уравнение объекта (системы), исключая промежуточные величины. В большинстве случаев уравнения элемен- тов нелинейны, и поэтому дифференциальное уравнение системы, как правило, тоже нелинейно и подлежит линеаризации. С целью упрощения задачи при аналитическом методе построения математической модели допускают определенные упрощения (прене- брегают распределенностью параметров, исключают некоторые возму- щающие воздействия и т. д.). В качестве примера рассмотрим процесс вентиляции животноводче- ского помещения объемом V с содержанием диоксида углерода С 0 (%) при производительности а (м 3 /мин). Входная величина объекта — производительность вентиляторов, выходная — концентрация диок- сида углерода в помещении. Обозначим содержание диоксида углерода в воздухе в момент времени t через х (%). Составим за промежуток времени dt (мин), прошедший от момента t, баланс диоксида углерода, содержащегося в помещении. За это время вентиляторы доставили в помещение количество воздуха, равное 0,01С 0 adt. Следовательно, |