Общая характеристика изучаемой отрасли (систем управления)

Система управления - это совокупность управляемого объекта или процесса и устройства управления, к которому относится комплекс средств приема, сбора и передачи информации и формирования управляющих сигналов и команд. При этом действие системы управления направлено на улучшение и поддержание работы процесса или объекта. В некоторых случаях без АСУ вообще невозможно решение задачи в силу сложности процесса управления. Управляемый объект - это элемент системы, который для нормального функционирования нуждается в систематическом контроле и регулировании. Управляющий объект - элемент системы, который обеспечивает слежение за деятельностью управляемого объекта, выявляет возможные отклонения от заданной программы и обеспечивает своевременное приведение его к нормальному функционированию.

Все системы управления, с точки зрения логики их функционирования, решают три задачи:

1 Сбор информации об управляемом объекте;

2 Обработка информации;

3 Выдача управляющих воздействий в той или иной форме.

В зависимости от вида системы, управление представляет собой воздействия на физическом или информационном уровне, направленные на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта в соответствии с имеющейся программой или целью управления.

Различают два основных типа систем управления:

1 Системы управления технологическими процессами в широком смысле этого слова, предназначенные для непосредственного управления производственными процессами на физическом уровне процесса;

2 Системы информационного управления, имеющие дело с объектами организационной природы, предназначенные для решения задач управления таких объектов управления, как крупные технические подразделения, военные, строительные и иные объекты разных рангов.

Главное отличие между ними заключается в характере объекта управления. В первом случае это всевозможные установки, приборы, станки и прочее, во втором - прежде всего люди.

Другое отличие между указанными системами заключается в форме передачи информации. Если в системах управления технологическими процессами основной формой передачи информации являются различного рода сигналы, то в системах организационного управления это документы. Четкую границу между двумя рассматриваемыми типами систем провести невозможно, чаще всего передача информации осуществляется как с помощью документов, так и с помощью сигналов.

Автоматизация систем управления осуществляется с помощью вычислительной техники. В зависимости от степени участия человека в управлении, системы управления можно классифицировать следующим образом:

1 Автоматические;

2 Полуавтоматические;

3 Автоматизированные.

Автоматизированная система не исключает, а наоборот, предполагает участие человека в управлении системой и принятие человеком ключевых решений, в то время как автоматические системы управления исключают участие человека в управлении объектом. Полуавтоматическая система может рассматриваться как вариант автоматической системы, в которой уровень развития техники еще не позволяет исключить человека из контуров системы управления.

Центральным ядром системы управления, с помощью которого осуществляется ее автоматизация, является вычислительная машина. Возможны два способа взаимодействия между ЭВМ, объектом управления и органом управления.

В первом случае ЭВМ используется, как правило, для решения отдельных периодически повторяющихся трудоемких задач. Сбор информации ведется вручную, так же осуществляется и подготовка документов с управляющими воздействиями. Подобная система может быть названа системой обработки данных. Обращение пользователей к системам обработки данных чаще всего приводит к обновлению информации; вывод информации может вовсе отсутствовать или представлять собой результат программной обработки хранимых сведений, а не сами сведения. Примером системы обработки данных может быть система сберегательного банка города. Она содержит сведения о вкладах жителей города, большинство обработок банковской информации предполагает обновление сумм вкладов, расчет процентов, подведение итогов за некоторый период работы и т.п.

Во втором случае основная информация о состоянии управляемого объекта собирается автоматически машиной (в общем случае - вычислительным центром). ЭВМ перерабатывает поступающую информацию и в том или ином виде готовит выходную документацию, после чего выносится решение о воздействии на объект. Автоматизированные системы управления классифицируют также в зависимости от вида выдаваемой ими выходной документации. Последняя может быть представлена в виде:

Переработанной, упорядоченной совокупности сведений об управляемом объекте. На основании их человек (или группа людей) принимает решение о характере воздействия на объект. Это свойственно системе обработки данных, но не собственно автоматизированной системе.

Совокупности рекомендаций (вариантов решения) относительно характера воздействия на управляемый объект. Окончательное решение в данном случае принимает человек. Такая реализация наиболее типична для автоматизированных систем управления.

Взаимодействие элементов системы принято изображать с помощью структурных схем, на которых элементы показываются простыми геометрическими фигурами, а связи между ними - соединительными линиями со стрелками, показывающими направление передачи сигнала.

Рисунок 2.1- Элемент системы автоматического регулирования с одной входной и одной выходной величинами.

В любом элементе системы (рисунок 2.2) можно выделить т физических величин (переменных), воздействующих на этот элемент и называемых входными величинами х_вх1,х_вх2,…,х_вхm (группа входных величин ).

На выходе элемента имеется n величин x_вых1, x_вых2,…, x_выхn, характеризующих результаты протекающих в нем процессов и называемых выходными величинами (на рис 2.2 группа выходных величин ).

Рисунок 2.2- Элемент системы автоматического регулирования с несколькими входными и выходными величинами.

Каждая входная величина воздействует на одну или несколько выходных величин; в общем случае . В простейших случаях элемент имеет одну входную и одну выходную величины (рисунок 2.1) и значение х_вых полностью определяется значением х_вх.

Обычно через данный элемент существует однонаправленность воз­действия (элемент обладает детектирующими свойствами), т.е. х_вх оказывает влияние на х_вых, но не наоборот. В более сложных случаях выходная величина элемента х_вых может оказывать обратное воздействие на его вход. При этом говорят о наличии обратной связи, которая на структурной схеме (рисунок 2.3) представлена элементом обратной связи (ОС).

Рисунок 2.3- Элементы системы автоматического регулирования с обратной связью.

Обратная связь называется положительной, если ее введение увеличивает значение выходной величины х_вых (по сравнению со значением х_вых без обратной связи) и отрицательной, если уменьшает значение х_вых. При положительной обратной связи выходная величина элемента обратной связи х_о.с. суммируется с входной величиной х_вх, при отрицательной – вычитается. Таким образом, входная величина основного элемента при введении обратной связи:

На рисунках 2.4.-2.6. показаны структурные схемы простейшего объекта регулирования и регулятора.

Рисунок 2.4- Структурная схема объекта регулирования с несколькими входными величинами

На вход объекта регулирования (рисунок 2.4) поступают два типа величин х_вх:

- внешние возмущающие воздействия (возмущения) z;

- и регулирующие (управляющие) воздействия у.

Возмущающими называются воздействия, которые выводят объект из состояния равновесия, т.е. нарушают его материальный или энергетический баланс.

Регулирующие (управляющие) воздействия представляют собой воздействия, восстанавливающие прежнее равновесие объекта или переводящие его в новое состояние равновесия.

В технических объектах и возмущающие, и регулирующие воздействия сводятся к изменению подачи (отвода) вещества или энергии, только первые возникают стихийно, вторые осуществляются целенаправленно. Совершенно очевидно, что для осуществления регулирующих воздействий требуются соответствующие ресурсы вещества или энергии, без которых управление невозможно.

Выходная величина объекта х характеризует состояние объекта и называется регулируемой (управляемой) величиной (в общем случае объект регулирования имеет много входных и выходных величин – многомерный объект, как на рисунке 2.2).

Таким образом, на вход объекта поступают два типа входных величин z и y, действующих по разным каналам.

В простейших случаях, когда и возмущающее z=у_В, и регулирующее y воздействия осуществляется по одному каналу, объект регулирования можно свести к элементу с одной входной (y₁= y+у_В) и одной выходной величиной (рисунок 2.5.), называемому одномерным объектом.

x – регулируемая величина

z=y_в – возмущающее воздействие;

у – регулирующее воздействие.

Рисунок 2.5- Структурная схема одномерного объекта регулирования

Объект регулирования может быть разделен на более простые элементы, отличающиеся по выполняемым функциям (рисунок 2.6.);

· регулируемый участок (собственно технологический процесс или агрегат);

· чувствительный элемент, дающий информацию о значении регулируемой величины;

· преобразующий элемент, предназначенный для преобразования сигнала чувствительного элемента в более удобную форму по величине или физической природе;

· регулирующий орган, предназначенный для реализации регулирующего воздействия y на объекте.

Y

РО – регулирующий орган;

РУ – регулируемый участок;

ЧЭ – чувствительный элемент;

ПЭ – преобразующий элемент.

Рисунок 2.6- Развернутая структурная схема объекта регулирования

Объекты регулирования, которые возможно характеризовать значением ре­гулируемой величины x в одной точке пространства, называются объектами регулирования с сосредоточенными параметрами.

Некоторые другие объекты необходимо характеризовать значением регулируемой величины x в нескольких точках пространства (температура металла по длине зоны вторичного охлаждения в МНЛЗ, давление газов по высоте доменной печи) или распределенными в пространстве регулирующими воздействиями. Такие объекты называются объектами с распределенными параметрами.

Хо

Х ε Y

у – регулирующее воздействие;

х - регулируемая величина;

х₀ – заданное значение регулируемой величины;

ε – отклонение регулируемой величины х от заданного значения х₀..

Рисунок 2.7- Структурная схема регулятора

На рисунке 2.7 представлена структурная схема регулятора, который имеет одну выходную величину у (регулирующее воздействие) и две входные - регулируемую величину x и заданное значение регулируемой величины x₀ (задающее воздействие). Величины x и x₀ сравниваются между собой, и вырабатывается одна вход­ная величина ε = x₀ –x, называемая отклонением регулируемой величины от заданного значения.

Величина ε(t) называется также ошибкой регули­рования и имеет размерность регулируемой величины.

х

Рисунок 2.8- Развернутая структурная схема регулятора:

ЗЭ – задающий элемент;

СЭ – сравнивающий элемент;

ПЭ – преобразующий элемент;

ИМ – исполнительный механизм.

Регулятор (рисунок 2.8.) состоит из нескольких функциональных элементов и включает в себя:

· задающий элемент (задатчик), позволяющий вручную установить заданное значение регулируемой величины x₀;

· сравнивающий элемент, вырабатывающий величину отклонения ε = x₀ –x;

· преобразующий элемент, преобразующий величину отклонения ε в соответствии с законом регулирова­ния, реализуемом регулятором;

· исполнительный механизм, предназна­ченный для оказания регулирующего воздействия у на объект.

Часто задаю­щий и сравнивающий элементы не включают в структуру регулятора, и он состоит только из преобразующего элемента и исполнительного механиз­ма. При этом входной величиной регулятора становится отклонение ε = x₀ –x регулируемой величины от заданного значения, а выходной величиной остается положение выходного вала исполнительного механизма у, обычно выражаемое в процентах его полного хода.

Выходной вал исполнительного механизма сочленен с регулирующим органом и перемещению выходного вала исполнительного механизма соответствует перемещение регулирующего органа. При этом выходная величина регулятора, выраженная в относительных единицах (% полного хо­да выходного вала исполнительного механизма), равна входной величине объекта регулирования, выраженной также в относительных единицах (% полного хода регулирующего органа) и поэтому обозначаются одинаково – у.

Если соединить объект и регулятор на структурной схеме в соответствии с принятыми обозначениями величин, то получится структурная схема системы автоматического регулирования одной величины (рисуноку 2.9).

Z 1

3 2 4

Рис 2.9- Структурная схема САР одной величины в укрупненном виде.

В сравнивающий элемент 2 поступает регулируемая величина x - выходная величина всей системы регулирования и объекта регулирования 1. Также в сравнивающий элемент 2 поступает заданное значением регулируемой величины x₀, которое вручную устанавливается задатчиком 4. В сравнивающем элементе происходит сравнение этих сигналови вырабатывается вели­чина отклонения

ε =x₀ –x. Регулятор 3, получая сигнал отклонения ε = x₀ –x, в соответствии с законом регулирования (алгоритмом управления) вырабатывает регулирующее воздействие у, которое поступает на вход объекта регулирования 1. Это регулирующее воздействие соответствует перемещению выходного вала исполнительного механизма и равно перемещению регулирующего органа. Оно направлено на уменьшение и, в конечном итоге, на устранение отклонения ε, возникающего в результате возмущающих воздействий z.

В рассматриваемой системе автоматического регулирования существует замкнутый контур регулирования, в котором регулятор 3 осуществляет отрицательную обратную связь. Такие САР называют замкнутыми системами или системами с регулированием по отклонению.

Роль человека в такой системе сводится только к установке задания регулятору; в остальном, стабилизация регулируемой величины (поддерживание заданного значения x₀) осуществляется без участия человека, т.е. автоматически.

На рисунке 2.10 показана структурная схема той же системы автоматического регулирования в развернутом виде с указанием функциональных элементов объекта регулирования и регулятора (сравнивающий и задающий элементы не включены в состав регулятора).

1

Z

3 2 4

Рисунок 2.10- Структурная схема САР одной величины в развернутом виде.