Глава 3. Основы автоматического регулирования

 

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Любая инженерная система, любой технологический про­цесс подвержены действию различных факторов, случайных по своей природе, которые нельзя предусмотреть заранее. Такие фак­торы называются возмущениями. К ним относятся, например, случайные изменения потребления воды, температуры воздуха и теплоносителя, характеристик оборудования и др. Возмущающие воздействия вызывают изменения принятого режима работы сис­темы, что, в свою очередь, приводит к изменению таких техникоэкономических показателей (ТЭП) системы, как производитель­ность, расход энергии и т. п. Поэтому для обеспечения требуемых ТЭП необходимо компенсировать колебания заданного режима, вызванные действием возмущений. Такое целенаправленное воз­действие на систему представляет собой процесс управления. Со­вокупность требований, осуществляемых в процессе управления, называется целью управления. Наконец, сам управляемый процесс вместе с оборудованием, с помощью которого он реализуется, является объектом управления. Объект управления и устройства, необходимые для осуществления процесса управления, называ­ются системой управления.

Современные инженерные системы весьма сложны и харак­теризуются большим числом параметров, влияющих на их ТЭП. Поэтому управление этими объектами организуют по так назы­ваемому иерархическому принципу.

Иерархический принцип управления заключается в многоступен­чатой организации процесса управления, где каждая ступень имеет свои объекты и цели управления, которые зависят от технологи­ческого режима. Режим, при котором достигаются заданные по­казатели, называется оптимальным. Но технологический режим изменяется под действием случайных факторов и поэтому может существенно отклоняться от оптимального. Поскольку эти откло­нения всегда ухудшают ТЭП, необходимо поддерживать технологи­ческие параметры процесса как можно ближе к их оптимальным значениям.

Управление можно организовать в виде двух ступеней. На верх­ней ступени цель управления заключается в поиске оптимального режима, и объектом управления при этом являются весь технологи­ческий процесс и его оборудование, на нижней ступени — обеспе­чение минимальных отклонений параметров от их оптимальных значений. Эта цель достигается относительно легко и заключается в стабилизации технологических параметров. В этом случае часто вместо термина «управление» применяют термин «регулирование».

При подобной организации процесса управления найденные на верхней ступени оптимальные значения технологических пара­метров можно рассматривать как «руководящие указания» для нижней, т. е. в общем процессе управления нижняя ступень под­чинена верхней. Поэтому такие ступени обычно называют иерар­хическими уровнями управления.

При управлении современными зданиями (сооружениями) в целом, т. е. рассматривая их как объекты жизнеобеспечения, возникают другие цели и задачи, которые нельзя отнести к от­дельным инженерным системам или технологическим процессам. Это, например, задачи организационно-оперативного управления; Поэтому процесс управления должен включать еще один уровень, на котором решаются организационные задачи. Он является выс­шим иерархическим уровнем.

Таким образом, структура управления эксплуатацией совре­менных строительных объектов характеризуется тремя уровнями иерархии (рис. 3.1). Нижний уровень (I) представлен так называ­емыми локальными системами регулирования, функции которых сводятся к стабилизации отдельных технологических параметров. Такие задачи решаются автоматическими устройствами без участия человека, и поэтому системы нижнего иерархического уровня называются автоматическими системами регулирования (АСР). Объекты регулирования на этом уровне — элементарные процессы с соответствующим инженерным оборудованием.

 

Следующий иерархический уровень (II) образуют системы управления технологическими процессами. Объектами управле­ния на этом уровне являются технологические установки или участки вместе с оборудованием и локальными АСР. Здесь реша­ются задачи оптимизации технологических режимов процессов. Кроме того, в функции управления на этом уровне входят выявле­ние и устранение ненормальных (аварийных) режимов, переклю­чение оборудования, вычисление ТЭП и т. п. Указанные функции достаточно сложны и не могут быть целиком возложены на авто­матические устройства. Поэтому здесь в системах управления применяют управляющие вычислительные машины (УВМ), а в процессах управления участвует оператор УВМ. Такие системы управления получили название автоматизированных систем уп­равления технологическими процессами (АСУ ТП).

На высшем иерархическом уровне (III) осуществляется управле­ние всем зданием. Например, объектами управления здесь помимо традиционных инженерных систем могут быть видеонаблюдение, охранно-пожарная сигнализация, контроль доступа, охрана пери­метра, телефонная связь, эфирное и спутниковое телевидение, а также все вспомогательные службы. На этом уровне задачи управления всей системой жизнеобеспечения и безопасности решаются с применением УВМ и обслуживающего персонала. Система этого уровня получила название автоматизированной системы управления зданием (АСУЗ).

Из сказанного видна роль локальных АСР нижнего иерархи­ческого уровня в общем процессе управления современными зданиями: они являются периферийными органами управления, через которые реализуются решения, принимаемые в процессе управления на более высоких иерархических уровнях.

Все процессы управления, в том числе и регулирования, имеют общие закономерности, не зависящие от конкретных объектов и целей управления.

Рассмотрим процесс регулирования уровня в емкости при про­извольно изменяющемся потреблении (стоке) жидкости. Стаби­лизировать уровень на заданном значении можно изменением притока в зависимости от отклонения уровня от заданного значе­ния. Предположим, что вначале уровень в емкости постоянный и равен заданному. Случайное уменьшение стока вызовет откло­нение уровня выше заданного. Тогда необходимо прикрывать клапан на притоке. При отклонении уровня ниже заданного зна­чения клапан, наоборот, следует приоткрывать. Этот процесс регу­лирования состоит из пяти составляющих. Во-первых, получение информации о заданном значении уровня. В данном случае это значение заранее известно. Во-вторых, получение информации о фактическом уровне, т. е. его измерение. В-третьих, определение величины и знака отклонения уровня от заданного. В-четвертых, установление требуемого изменения притока в зависимости от вели­чины и знака отклонения. В-пятых, изменение притока открытием или закрытием клапана.

В рассмотренном примере процесс управления был неавто­матическим: в нем принимал участие человек. В АСР процесс управления осуществляется автоматически. Так, регулировать уро­вень в емкости автоматически можно, например, с помощью АСР, показанной на рис. 3.2. Поплавок 1 в этой системе перемещается вместе с уровнем, а клапан '/изменяет расход на притоке. Поплавок связан с клапаном через поворотный рычаг 2 и прикрепленный к нему шток 3.

 

В такой АСР любое отклонение уровня от заданного, вызван­ное колебаниями потребления, приведет к перемещению поплавка и связанного с ним клапана. При отклонении уровня выше задан­ного клапан будет прикрываться, а при отклонении ниже задан­ного, наоборот, приоткрываться. Таким образом, в этой системе все указанные составляющие процесса регулирования выполня­ются автоматически: при отклонении уровня от заданного значе­ния поплавок отклоняет рычаг, а перемещение штока изменяет степень открытия клапана и приводит тем самым к требуемому изменению притока. Из рассмотренного примера видно, что для управления объектом необходимо получить информацию о заданном и фактическом его состоянии, определить отклонение фактического состояния от заданного, на основе этого вырабо­тать целенаправленное воздействие на объект и осуществить его.

Несмотря на разнообразие встречающихся в инженерных сис­темах объектов, отмеченный общий характер процессов управле­ния не зависит от физической природы объектов и технических средств управления. Так, процесс регулирования уровня в емкости не зависит от конфигурации емкости, расположения трубопрово­дов, природы жидкости, конструкции клапана и т. п. Это позво­ляет изучать закономерности управления в общем виде независимо от природы объектов управления и протекающих в них техноло­гических процессов. Такие закономерности изучает теория управ­ления. Рассмотрим основные термины и понятия этой теории.

Как отмечалось, любой процесс управления слагается из пяти основных действий. В АСР эти действия выполняют технические устройства. Устройство для получения информации о состоянии объекта управления называется, как уже отмечалось, измеритель­ным устройством. Устройство, которое определяет отклонение измеренного значения параметра от заданного, называется сум­матором. Сумматор производит алгебраическое суммирование — вычитание измеренного значения параметра из заданного. Уст­ройство, вырабатывающее необходимое воздействие на объект, называется регулятором. Для передачи этого воздействия на объект служит регулирующий орган. Обычно для перемещения регулиру­ющего органа применяется отдельное устройство — исполнитель­ный механизм. Все эти устройства, а также объект управления являются элементами АСР. В системах автоматизации некоторые из перечисленных устройств бывают конструктивно совмещены — например, сумматор может быть частью регулятора, а исполни­тельный механизм объединен с регулирующим органом.

Нетрудно убедиться, что в рассмотренной АСР объектом регулирования является емкость с притоком и потреблением жидкости, измерительным устройством — поплавок, рычаг вы­полняет роль сумматора и регулятора, а клапан — регулирующего органа. Структурная схема этой системы, показывающая взаимо­связь ее элементов, приведена на рис. 3.3. Как видно из схемы, элементы АСР связаны между собой таким образом, что воздейст­вуют друг на друга: измерительное устройство воздействует через сумматор на регулятор, регулятор — на регулирующий орган, регу­лирующий орган — на объект регулирования. Эти воздействия передаются от одного элемента к другому посредством сигналов.

Физическая природа сигналов может быть различной: элект­рической, пневматической,механической. Так, в рассматриваемой

 

 

АСР применена механическая связь регулятора с измерительным устройством и регулирующим органом. Общим свойством любых сигналов является передача воздействия от одних элементов сис­темы к другим. Например, при регулировании уровня в емкости регулирующий орган воздействует на объект регулирования измене­нием притока в емкость. Здесь сигналом является расход жидкостей на притоке.

Передача воздействия от одного элемента к другому всегда происходит в одном направлении — от предыдущего к последу­ющему. Поэтому еще одним общим свойством сигналов является их направленность. В соответствии с этим для каждого элемента АСР различают входные и выходные сигналы. Выходной сигнал элемента является его реакцией на входной сигнал. Иначе говоря, выходной сигнал элемента зависит от его входного сигнала.

В общем случае элемент АСР может иметь несколько входных и выходных сигналов. Например, для регулирующего органа в АСР уровня в емкости входной сигнал — степень открытия клапана, а выходной — расход жидкости через него. Для самой емкости с жидкостью как объекта регулирования входными сигналами являются расходы на притоке и потреблении, зависящий от этих сигналов уровень в емкости — выходной сигнал.

Входные и выходные сигналы объектов регулирования могут не совпадать с входными и выходными потоками вещества и энер­гии. Так, в емкости, изображенной на рис. 3.2, приток является входным, а потребление — выходным потоком. Вообще следует помнить, что в процессах управления конструкция элементов, материалы, из которых они изготовлены, природа выходных и входных сигналов и тому подобные факторы не играют сущест­венной роли в процессах регулирования. Имеет значение лишь характер преобразования входных сигналов в выходные.

Общее свойство любых возмущений — воздействие на эле­менты АСР, что вызывает случайные изменения их выходных сигналов. Поэтому возмущения всегда являются входными сиг­налами элементов.