ОБ'ЄКТИ УПРАВЛІННЯ ТА ЇХ ВЛАСТИВОСТІ

Лекція № 1

Термін "автоматизація виробництва" розглядається в конкретній ситуації -розробка, проектування, впровадження системи автоматизації тощо. У загальному плані автоматизація виробництва -це етап машинного виробництва, що характеризується звільненням людини від безпосереднього виконання функцій управління виробничими процесами та передачею цих функцій технічним засобам -автоматичним пристроям і системам. В основі автоматизації виробництва лежить поняття управління (в літературі вживається також менш вдалий для даного випадку термін "керування").

Управління - цілеспрямована дія на процес (об'єкт), яка забезпечує оптимальний чи заданий режим, його роботи. Процес управління складається з ряду елементарних операцій та етапів, які є спільними для технічних систем і систем живої природи. Незалежно від мети, призначення, структури об'єкта процес управління передбачає виконання таких операцій, як: одержання та попередня обробка інформації про фактичний стан об'єкта, системи і навколишнього середовища;

· аналіз одержаної інформації, порівняння існуючої виробничої ситуації із заданою (необхідною);

· прийняття рішення про дію на об'єкт у певному напрямку та оцінка можливості реалізації такої дії;

· реалізація управління, тобто формування і здійснення дії за допомогою відповідних технічних засобів.

Якщо людина не бере участі у формуванні управляючої дії, управління називається автоматичним. У складних системах і ситуаціях прийняття остаточних рішень щодо управління залишається за людиною (в літературі -особою, яка приймає оптимальні рішення), тоді управління є автоматизованим. Відповідно до цього системи називаються автоматичними чи автоматизованими. Автоматичне управління і відповідно автоматичні системи є більш досконалими, вони знаходяться на вищому ступені розвитку. Але складні системи в комп'ютерно-інтегрованому виробництві часто не мають простих однозначних варіантів роботи, в них завжди є високий рівень невизначеності, тому вони і функціонують як автоматизовані. При здійсненні процесу управління часто доводиться спочатку вишукувати потрібний режим роботи, а потім його підтримувати. В окремих випадках для простих об'єктів значення технологічних змінних (параметрів) задаються наперед, тоді системи називаються автоматичними системами регулювання (АСР) або (САР)

Сукупність елементів системи та характер зв'язків між ними визначаються структурою останньої. При створенні й аналізі систем автоматизації виділяють такі структури: функціональну - сукупність частин для виконанняокремих функцій: одержання інформації, її обробки, передачі і т.д.;

алгоритмічну - сукупність частин для виконання певних алгоритмів обробки інформації; технічну (конструктивну) – сукупність необхідних технічних засобів як відображення функціональної та алгоритмічної структур.

Основні класи управління:

· підтримання на заданому рівні технологічних параметрів або функцій від них (завдання стабілізації);

· змінювання технологічних параметрів за певною програмою чи у відповідності з виконанням деяких умов (програмно-логічне управління);

· компенсація збурень, серед яких виділяються фактори зов нішнього середовища або зміна властивостей об'єкта;

· координація взаємодії елементів об'єкта. Це завдання набуває особливого значення для технологічних комплексів, коли функціонування окремих агрегатів неможливе без взаємного врахування умов роботи інших.

Відповідно до зазначених завдань організують такі види управління:

· координатне, при якому за допомогою зміни вхідних величин (витрат матеріальних та енергетичних потоків) змінюють координати стану або обмежують області їх допустимих значень чи показників якості;

· параметричне, коли цілеспрямовано змінюють значення фізичних параметрів елементів об'єкта;

· структурне, при якому управлінням є цілеспрямована зміна складу елементів та зв'язків між ними і режимів функціонування.

Лекція № 2

При автоматизації складних об'єктів, особливо технологічних комплексів, названі види управління застосовують у різних поєднаннях. Вибір сфери їх використання становить одну з найважливіших проблем формування функціональної структури систем управління.

Функціональна структура відображає основні функції системи, тобто сукупність функцій (операцій, дій), які забезпечують досягнення заданої мети функціонування системи. Тоді особливо важливим є те, що для організації й реалізації управління різними об'єктами існує порівняно невеликий набір функцій - типова функціональна структура.

Інформаційні функції призначені для вимірювання значень технологічних параметрів, збирання, сортування та розподілу даних про стан об'єкта.

Функції формування дій управління визначають значення останніх щодо змінюються властивості об'єктів (умови тепло- та масообміну, константи хімічних реакцій тощо). Це так звані параметричні (внутрішні) збурення, тоді як на об'єкт діють численні зовнішні збурення. Тому системи управління слід надшиті-властивостями адаптації (пристосування), що можна здійснити 3різними шляхами: зміною структури, параметрів настроювання або одним і другим одночасно.

При значно змінюваних характеристиках об'єкта й зовнішнього середовище застосовуються системи із самонастроюванням (рос.-самонастраивающиеся). В цих системах у контурі управління використовуються математичні моделі об'єкта (еталонні або одержувані в процесі роботи).Тому з'являється можливість постійно враховувати еволюцію об'єкта, зміни в зовнішньому середовищі у оперативно реагувати на них. У цьому класі систем розглядаються також системи зі змінною структурою, коли під час роботи автоматично підключаються (комутуються) різні елементи системи, які потрібні в різних ситуаціях роботи.

Лекція № З

ОБ'ЄКТИ УПРАВЛІННЯ ТА ЇХ ВЛАСТИВОСТІ

О б'єкт автоматизації - це технологічний процес або технологічний агрегат, в якому відбуваються процеси перетворення речовини чи енергії, що характеризуються комплексом значень технологічних параметрів і потребують організованого цілеспрямованого втручання шляхом створення спеціальних управляючих дій (управлінь). З точки зору загальносистемного підходу об'єктом можуть бути збірники, теплообмінники або складніші - котлоагрегати, дифузійні, випарні установки, хлібопекарські печі та ін., при цьому складні об'єкти можна розкладати на простіші.

Кожному завданню автоматизації відповідає конкретний об'єкт. При цьому важливим є ще один загальносистемний момент: властивості системи управління регулювання в однаковій мірі залежать від обох складових - об'єкта автоматичного керуючого пристрою (регулятора). В той же час кожна з систем управління створюється саме для конкретного об'єкта, тому чим детальніше будуть відомі властивості об'єкта, тим ефективнішою буде система управління.

Об'єкти мають різне призначення, у них відбуваються різні за природою процеси, але з точки зору завдань автоматизації можна виділити деякі загальні властивості та характеристики. Це особливо важливо тому, що інтенсифікація технологічних процесів, впровадження агрегатів великої одиничної потужності часто супроводжуються ускладненням управління такими об'єктами у зв'язку із недостатніми знаннями про механізм процесів; стохастичністю зв'язків між виходами та входами (ймовірною природою об'єктів); нестаціонарністю (зміною характеристик з часом, еволюцією об'єктів); наявністю робочих зон із різними процесами, які відбуваються одночасно, застійних зон і т.д.

З погляду загальної теорії управління важливе значення мають такі узагальнені характеристики і показники:

спостережуваність об'єкта означає, що існує можливість визначити його стан за даними вимірювань або відповідних обчислень на скінченному інтервалі часу, тобто виміряти та (чи) обчислити всі координати стану об'єкта.

керованість об'єкта означає, що існують такі цілеспрямовані дії, за допомогою яких об'єкт з будь-якого початкового стану можна перевести в заданий кінцевий стан протягом скінченного інтервалу часу. Це відповідає тому, що під дією керувань змінюються всі координати стану об'єкта;

чутливість об'єкта дає можливість оцінити зміни (варіації) режимів роботи об'єктів під впливом управлінь і збурень. Крім того, оцінюються малі варіації параметрів об'єкта відносно їх початкових значень та їх вплив на функціонування об'єкта. Названі загальні показники властивостей об'єкта використовують при створенні таким чином: спостережність дозволяє оцінити точки вимірювань і можливість одержання необхідної інформації про стан об'єкта; керованість характеризує ефективність керуючих дій, що дає змогу зробити цілеспрямований вибір; чутливість є основою для висновку щодо необхідності створення адаптивних систем.

Для простих об'єктів при розв'язуванні окремих завдань беруть показники, які мають безпосередній вплив на динаміку АСР:

Місткість об'єкта - його спроможність у процесі функціонування нагромаджувати або витрачати речовину чи енергію. Для гідравлічних об'єктів цей показник оцінюється об'ємом рідини, теплових - кількістю теплоти, рухомих - кількістю руху (момент інерції) і т.д.

Самовирівнювання - можливість самостійно приходити в усталений стан після припинення зовнішньої дії, тобто відновлювати матеріальний чи енергетичний баланс. Це виражається у тому, що в стійкому об'єкті існують внутрішні зворотні зв'язки, які проявляються через дію керованої величини на приплив або витрату речовини чи енергії.

Запізнювання в об'єкті зумовлюється скінченним значенням швидкості розповсюдження сигналів (швидкість руху матеріальних потоків) не оцінюється як відрізок часу між моментом подачі на вхід сигналу та моментом фіксації зміни вихідного сигналу. Запізнювання, спричинене тільки швидкістю руху матеріального потоку, називається чистим, або транспортним, наприклад, переміщення матеріалів по стрічці транспортера; інший вид запізнювання зумовлюється наявністю опорів і багатьох ємкостей в об'єкті, тому його називають ємкісним, або перехідним.

Лекція № 4

За числом ємкостей об'єкти можуть бути одно- або багатоємкісними, ємкості

розділені між собою місцевими опорами. Так, може бути кілька гідравлічних ємкостей, розділених між собою гідравлічними опорами. В тепловому об'єкті також існують термічні опори. Кількість ємкостей є важливою ознакою об'єкта, тому що кожна з них потребує створення контурів вимірювання та регулювання.

Ще одна суттєва особливість об'єктів полягає в розподілі їх параметрів у просторі. Реальні об'єкти характеризуються розподілом параметрів (об'єкти з розподіленими параметрами), тобто значення технологічних змінних утворюють поле величин (континуум). У статиці значення чітко розподіляються вздовж просторової координати, наприклад, температура - вздовж поверхні теплообміну в трубчастих теплообмінниках, параметри потоків - у трубопроводах, лініях електропередач та ін. При розробці ММ такого об'єкта доводиться використовувати диференціальні рівняння в частинних похідних, що призводить до значних труднощів при математичному моделюванні, зокрема за допомогою чисельного експерименту. Тому по можливості уявляють собі об'єкт із зосередженими параметрами, коли значення параметра в статиці та динаміці можна представити його величиною в одній точці. Це може бути змішувач з інтенсивним перемішуванням робочого середовища, де температура чи концентрація у всьому об'ємі набувають приблизно однакового значення. Тоді ММ динаміки -звичайні диференціальні рівняння, з якими просто й зручно працювати. Існує ряд штучних методів умовної заміни об'єктів із розподіленими параметрами об'єктами із зосередженими параметрами, наприклад, розбиття на \й елементарних ємкостей, кожна з яких описується ММ із зосередженими параметрами.

Реальні об'єкти є нестаціонарними, тобто змінюють свої характеристики з часом, у процесі експлуатації. У теорії та практиці автоматичного керування склалися певні методи дослідження властивостей об'єктів: аналітичні, експериментальні, комбіновані. Фактично вони призначені для одержання ММ об'єктів і становлять предмет окремих навчальних дисциплін. Продемонструємо одержання ММ для автоматичного регулювання простих об’єктів.

Аналітичні методи грунтуються на вивченні властивостей об'єктів на основі дослідження процесів, які в них відбуваються, за допомогою фундаментальних законів фізики, хімії, теплотехніки, гідравліки та інших наук. Усі ці науки мають свої закони, що описують фізико-хімічні перетворення речовини, тепло- та масообмін, гідродинаміку тощо. В такі моделі у явному вигляді входять конструктивні особливості об'єкта (поверхні теплообміну-діаметрі довжина труб, об'єми робочих зон і т.д.), режимні параметри й константи (температура, рівень, константи дифузії, тепловіддачі тощо), а також характеристики речовини (теплоємність, густина та ін.). Основна перевага аналітичних (неформальних) ММ - можливість одержання загальних результатів, перенесення останніх на клас об'єктів, багаторазове використання, розкриття механізму процесів і втручання в їх перебіг. У той же час одержання аналітичних ММ потребує багато часу, не завжди є необхідні математичні залежності, а для складних об'єктів вони громіздкі й незручні для використання. Вимушене прийняття ряду припущень при одержанні ММ знижує точність останніх. Важливо у такому разі встановити адекватність (відповідність) моделі об'єкту, а це вимагає використання експериментальних даних.

Експериментальні методи дають можливість одержати ММ об'єкта у певному виді із застосуванням двох методів: при активному експерименті на вході об'єкта створюються спеціальні сигнали (стрибкоподібні, гармонічні); при пасивному використовують дані, одержані в процесі нормальної експлуатації об'єкта із застосуванням методів статистичного аналізу. Ькспериментальні дані об'єднують у напрям, який називають ідентифікацією об'єктів. При використанні експериментальних методів часто не розкривається і не враховується внутрішня структура об'єктів, механізм процесів, а лише аналізуються входи та виходи й встановлюється між ними формальний зв'язок. Цей метод у літературі називають "чорним ящиком", а ММ- формальними. Серед методів ідентифікації об'єктів застосовують спеціальне планування експериментів, складання оптимальних планів досліджень, використання ЕОМ на стадіях одержання та аналізу ММ. Основною перевагою експериментальних методів є їх простота, оперативність одержання, зведення до зручного вигляду, уточнення ММ у процесі використання об'єкта. В той же час неформальні моделі мають обмежену цінність, тому що вони справедливі, як правило, лише для певного об'єкта у конкретних умовах його експлуатації.

Лекція № 5

Поиск по сайту: