Методичні вказівки по вивченню дисципліни

Принципи побудови систем автоматичного управління. Функції АСУТП.

Починаючи вивчення дисципліни «Автоматизація виробничих процесів, мікропроцесорна техніка» необхідно перш за все уяснити для себе основні принципи побудови автоматичних та автоматизованих систем регулювання (АСР), управління – САУ та АСУТП.

Регулювання –більш вузьке поняття порівняно з поняттям управління. Метою автоматичного регулювання є підтримка на заданому рівні одної або кількох величин – вихідних параметрів, які характеризують стан технологічного об’єкту управління (ТОУ). Цим терміном визначають сукупність технологічного обладнання та реалізованого на ньому технологічного процесу виробництва.

Регулювання здійснюється без участі людини – оператора, роль котрого –встановити бажану величину завдання автоматичному регулятору або мікропроцесорному контролеру і в подальшому вести спостереження за ходом технологічного процесу, щоби в разі потреби змінити завдання.

При автоматизованому управлінні найважливіша функція – встановлення оптимального в даних обставинах завдання передається від людини–оператора системи до автоматичних пристроїв вищого рівня ієрархії – управляючим обчислювальним комплексам (УОК). Для визначення оптимального завдання регуляторам, які працюють на нижньому (локальному) рівні управління, УОК використовують всю доступну інформацію про технологічний процес та адекватні процесу математичні моделі. Можлива також побудова автоматизованих систем прямого цифрового управління в котрих функції локальних регуляторів виконують УОК верхнього рівня. Системи автоматизації складних технологічних об’єктів з використанням засобів обчислювальної техніки (як правило) становлять клас АСУТП.

АСУТП - автоматизована система управління технологічним об’єктом – людсько–машинна система управління призначена для автоматизованого збору та обробки інформації необхідної для оптимального управління тех– нологічним об’єктом у відповідності до вибраного критерія оптимальності.

Функції АСУТП:

1. Інформаційні, результатом їх виконання є представлення оператору системи або зовнішньому одержувачу інформації про стан об’єкту управління.

До цих функцій відносяться:

- контроль параметрів процесу та видача результатів безперервно, періодично або за викликом оператора;

-передача, перетворення, обробка, зберігання інформації та її представлення на табло, мнемосхемах, моніторах та інш.;

- реєстрація параметрів безперервно або періодично (на принтерах);

- друкування звітної документації про технологічний процес та його результати;

- розрахунки комплексних показників технологічного процесу, які неможливо виміряти безпосередньо;

-виявлення та сигналізація небезпечних ситуацій;

-передача інформації на верхні рівні АСУ,суміжним системам та отримання від них необхідної інформації.

2. Управляючі:

- ручне дистанційне керування виконавчими механізмами системи;

-автоматична стабілізація параметрів ТОУ;

-програмна зміна параметрів процесу за наперед відомим законом (програмою), який задається регулятору програмним задатчиком;

- програмно – логічне керування дискретними процесами;

- формування та реалізація управляючих впливів на процес, які забезпечують досягнення або дотримання режиму, оптимального за технологічними чи тех–

ніко – економічними критеріями (ця функція і є, власне, управлінням);

-захист обладнання та персоналу від аварій.

 

Структура та режими роботи АСУТП

Децентралізована структура.

Ця структура використовується при побудові САУ відносно простими процесами. Представлена кількома не зв’язаними між собою автоматичними системами регулювання (АСР) без використання обчислювальної техніки. Основні функції:

-контроль параметрів об’єкту, як правило, аналоговими вимірювальними приладами, розташованими на щиті;

-стабілізація процесу на заданому режимі, який встановлює людина-оператор;

- програмно–логічне управління;

-захист обладнання та персоналу від аварій.

Всі управляючі рішення приймає оператор, керуючись показаннями приладів, наглядом за процесом та власним досвідом. Перевагою децентралізованих систем є їх висока живучість – при відмові одного приладу оператор переходить на ручне управління і технологічний процес не переривається. Однак, децентралізовані системи дорогі, громіздкі, консервативні щодо модернізації.

Централізована структура.

Характерна для початкового періоду використання УОК в АСУТП.

Вся інформація про об’єкт концентрується та обробляється на одному потужному обчислювальному комплексі, який обслуговує всі контури управління по черзі з урахуванням пріоритетів тієї чи іншої задачі.

Системи з такою структурою працюють, як правило, в інформаційному режимі або в режимі «радника оператора».

Людина–оператор системи:

- аналізує інформацію, отриману від УОК, або поради обчислювального комплексу у вигляді конкретних розрахунків;

- приймає рішення щодо виду та величини управляючого впливу на технологічний об’єкт;

- здійснює управляючий вплив через локальні системи автоматизації.

Оператор може реалізувати пораду УОК чи відхилити її в залежності від влас-ного розуміння ситуації, що склалася на об’єкті. В цьому недоліки режиму

«радник оператора» і в той же час його переваги у зв’язку з можливістю захисту ТОУ від помилок через недостовірність інформації, неадекватність

використаної математичної моделі реальному процесу, або через збої в УОК.

Недоліком централізованої структури є також її низька живучість– при збоях

в УОК процес управління переривається.

 

Розподілена структура АСУТП.

Реалізація розподіленої структури стала можливою у зв’язку з появою нових технічних засобів автоматизації – мікропроцесорних контролерів (РЕМІКОНТ, ЛОМІКОНТ, програмно–технічного комплексу УНІКОНТ та інших).

Вона базується на трьох основних принципах:

-задачі управління складним об’єктом розділяються між кількома (або кількома десятками) мікропроцесорних контролерів та УОК, кожен з котрих обслуговує порівняно автономну зону технологічного процесу;

-представлення інформації ієрархічно централізується (по агрегату,цеху, під–

приємству); інформація представляється переважно на екранах дисплеїв в компактній, наглядній формі без використання громіздких щитів для розміщення приладів контролю та автоматизації;

-для зв’язку технічних засобів між собою використовується цифрова мережа,

інформація в котрій передається в послідовній формі (ІРПС).

Розподілені АСУТП працюють переважно в режимі супервізорного або прямого цифрового управління.

При супервізорному режимі роботи УОК включається в замкнутий контур автоматичного управління і виробляє управляючі впливи у вигляді сигналів

завдання локальним регуляторам. Оператор здійснює лише загальний нагляд

за ходом процесу. Втручання в управління потрібне тільки в разі виникнення

непередбачених ситуацій. Залишається також необхідність вносити корективи

в управління процесом при змінах умов виробництва (сировини, продукції що

виробляється та інш.), тобто уточняти математичні моделі процесу, їх коефіцієнти.

В режимі прямого цифрового управління локальні регулятори взагалі виключаються із системи або використовуються як резерв. Їх роль виконує безпосередньо УОК, тобто на обчислювальний комплекс покладаються додаткові функції по формуванню законів регулювання та управління виконавчими механізмами АСУТП. Очевидний недолік концепції ПЦУ проявляється при відмовах УОК– повна втрата управління об’єктом.

 

Статичні та динамічні характеристики лінійних САУ. Типові динамічні

Ланки

Якість перехідних процесів, які виникають в САУ в результаті взаємодії

збурювання з одного боку та керуючих впливів регуляторів з іншого боку, залежить від її структури та характеристик елементів, що складають систему. Статичною характеристикою елемента САУ називають зв'язок між його вихідною та вхідною величинами в сталому стані. Якщо статична характеристика елемента САУ представляє пряму лінію, такий елемент називається лінійним, а система управління що зібрана з лінійних елементів–лінійною САУ. В інших випадках елемент системи є нелінійним або має релейну статичну характеристику.

Динамічна характеристика елемента (ланки) САУ описує, як змінюється його вихідна величина якщо на вхід ланки подано будь–який сигнал (вплив).

Зазвичай типовий вхідний вплив – одиничний стрибок, імпульс або гармонічний сигнал з постійною амплітудою та змінною частотою.

При цьому поведінка вихідної величини лінійних ланок в динаміці описується математичним апаратом лінійних диференційних рівнянь з постійними коефіцієнтами або функціями комплексної змінної (частотні характеристики ланки).

Домовилися ділити складну САУ на динамічні ланки таким чином, щоби динаміка окремої ланки описувалась диференційним рівнянням не вище другого порядку. За таких умов велике різноманіття функціональних елементів САУ зводять до кількох так званих типових динамічних ланок.

З деякими спрощеннями це:

- ланка нульового порядку (підсилювач, ланка без інерції);

- ланка першого порядку (інерційна ланка);

- ланка другого порядку (аперіодична та коливальна);

- інтегруюча ланка (ланка пропорційної швидкості);

- диференціатор;

- ланка чистого запізнення.

Визначивши теоретично або експериментом динамічні властивості окремих ланок, з яких складається САУ, можливо дослідити поведінку системи управління будь – якої структури. Для цього використовують

особливу форму описання динаміки окремих ланок, їх сполучень та САУ в цілому – за допомогою функцій передачі, які можливо отримати, записавши диференційні рівняння динаміки в операторній формі.

Більш детально поняття передаточних функцій буде розкрито на лекціях.

Ефективним способом дослідження перехідних процесів в реальних САУ є математичне моделювання динаміки систем на сучасних комп’юте- рах з використанням пакетів прикладних програм (зокрема системи структурного моделювання SIMULINК). Моделювання дозволяє з мінімальними витратами часу визначити як умови стійкості системи, так і конкретні показники якості управління.