Роль вычислительной техники в управлении процессами

Лекция №1

ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ ОБ УПРАВЛЕНИИ И СИСТЕМАХ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Основные понятия и определения

Существует чрезвычайно большое разнообразие автоматических систем, выполняющие те или иные функции по управлению самыми различными физическими процессами во всех областях техники. В этих системах сочетаются различные по конструкции устройства, составляя сложный комплекс взаимодействующих звеньев.

Примерами автоматических систем могут служить:

а) автомат включения освещения, в котором имеется фотоэлемент, реагирующий на силу дневного света, и специальное устройство для включения освещения, срабатывающее от определенного сигнала фотоэлемента;

б) автомат, выбрасывающий какие-либо предметы (билеты, шоколад) при опускании в него определенной комбинации монет;

в) автоматический регулятор скорости вращения двигателя независимо от внешней нагрузки;

г) автопилот, поддерживающий определенный курс и высоту полета самолета без помощи летчика и пр.

Все эти и им подобные системы можно разделить на два класса:

1) автоматы, выполняющие определенного рода одноразовые или многоразовые операции; сюда относятся, например, автомат включения освещения и т.п;

2) автоматические системы, которые в течение длительного времени нужным образом изменяют (или поддерживают неизменными) какие-либо физические величины (электрическое напряжение, частоту, температуру, давление и пр.) в том или ином управляемом процессе.

В данном курсе мы будем рассматривать только автоматические системы второго класса. В общем случае система автоматического управления представлена на рис. 1.1.

Рис. 1.1 Структурная схема замкнутой системы автоматического управления

Агрегат, в котором происходит подлежащий управлению процесс, называется управляемым объектом (ОУ). Для краткости будем говорить просто объект. Примерами объекта могут служить самолет, ядерный реактор, холодильник, или ректификационная колонна, теплообменный аппарат и др. Величина y(t), которой необходимо в этом объекте управлять, т.е. поддерживать постоянной или изменять по некоторой программе, называется управляемой величиной. Это может быть скорость вращения, температура, уровень в емкости и т.д. Величина y₀(t), значения которой должна поддерживать или воспроизводить управляемая величина, называется задающим воздействием. Разность между заданным и фактическим значениями управляемой величины называется рассогласованием, или ошибкой системы. Воздействие f(t), вызывающее нежелательное изменение управляемой величины, называется возмущающим воздействием, или возмущением (изменение температуры окружающей среды, порывы ветра и др.).

Устройство, предназначенное для выполнения задачи управления, называется управляющим устройством. Оно может быть разбито на ряд звеньев (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Обобщенная структурная схема САУ.

Измерительное устройство 8 измеряет фактическое значение управляемой величины. Результатом измерения является величина y(t). Задающее устройство 1 преобразует задающее воздействие y₀(t) в величину той же физической природы, что и y(t). Сравнивающее устройство 2 производит вычитание ε(t) = y(t) - y₀(t) и тем самым выявляет рассогласование, или ошибку системы. Далее ставятся усилительно-преобразовательное 4 и исполнительное 5 устройства. В некоторых случаях вводится дополнительное измерительное устройство 3, а иногда и звено 6, через которое осуществляется местная обратная связь. Управляющее устройство в соответствии с заложенным в него алгоритмом управления формирует управляющее воздействие u(t), направленное на ликвидацию рассогласования ε(t), независимо от причины, вызвавшей это рассогласование.

На рис. 1.3. приведена принципиальная схема САУ теплообменного аппарата.

Рис. 1.3. САУ теплообменного аппарата.

Предположим, что обстоятельства работы данного теплообменного аппарата требуют изменения температуры на выходе по заданной программе, в частном случае требуется поддержание постоянной температуры. Для этого надо с помощью вентиля регулировать расход греющего пара. Подобная часть ОУ, с помощью которой можно изменять параметры управляемого процесса называется управляющим органом объекта. Это может быть реостат, вентиль, заслонка и т.д.

Часть ОУ, которая преобразует управляемую величину в пропорциональную ей величину, удобную для использования в САУ, называют чувствительным элементом (ЧЭ). Физическую величину на выходе ЧЭ называют управляемой величиной. Как правило, это электрический сигнал (ток, напряжение) или механическое перемещение. В качестве ЧЭ могут использоваться термопары, рычаги, электрические мосты, датчики давления и т.д. В нашем случае это термопара, на выходе которой формируется напряжение, пропорциональное температуре на выходе теплообменного аппарата, подаваемое на измерительный прибор ИП для контроля.

Управляющее воздействие u(t) – это воздействие, прикладываемое к объекту с целью поддержания требуемых значений управляемой величины. Оно формируется устройством управления (УУ). Ядром УУ является исполнительный элемент ИЭ, в качестве которого могут использоваться электрические или поршневые двигатели, мембраны, электромагниты и т.д.

Задающим устройством (ЗУ) называется устройство, задающее программу изменения управляющего воздействия, т.е. формирующее задающий сигнал y₀(t). В простейшем случае y₀(t)=const. ЗУ может быть выполнено в виде отдельного устройства, быть встроенным в УУ.

Роль вычислительной техники в управлении процессами

Применение вычислительной техники (ВТ) в автоматическом управлении – важнейшая черта технической инфраструктуры современного общества. Промышленность, транспорт, системы связи, защита окружающей среды и т.д. существенно зависят от компьютерных систем управления. Основную роль здесь играют цифровые электронные вычислительные машины (ЭВМ) – компьютеры.

Компьютеры, собственно и предназначены для обработки информации, в том числе и относящейся к технологическим процессам. В большинстве случаев компьютеры выполняют две основные функции: во первых, контролируют, находятся ли параметры технического процесса в заданных пределах, и, во вторых инициируют соответствующие управляющие воздействия, чтобы параметры оставались в этих пределах даже при наличии внешних возмущений.

Рис. 1.4. Применение компьютера в управлении процессом.

В этом случае обработка данных не зависит от компьютера и его производительности, а следует за событиями во внешнем мире, т.е. за процессом. Компьютерная система управления должна достаточно быстро реагировать на внешние события и постоянно обрабатывать поток входных данных. Одновременно может потребоваться и выполнение других операций, например обмен информацией с оператором, вывод данных на экран и реакция на определенные сигналы. Этот режим обработки данных оказался настолько важным, что получил специальное название – режим реального времени.