Основные принципы автоматического управления

Назначение систем управления. Иерархия управления.

В зависимости от объектов управления различают:

- АСУП – автоматизированная система управления предприятием;

- АСУ ТП – автоматизированная система управления технологическим процессом;

- САР – локальные системы автоматического регулирования.

В АСУП объектом управления является предприятие; в АСУ ТП – технологический процесс; в локальных САР – механизм, машина или технологический аппарат.

Управление химическим предприятием осуществляется по многоуровневому иерархическому принципу.

На нижнем уровне иерархии находятся локальные САР, которые регулируют отдельные технологические параметры. Локальные САР входят в состав АСУ ТП.

Локальная САР состоит из объекта управления (ОУ) и управляющего устройства (УУ), которые взаимодействуют между собой. При нормальном протекании процесса технологические параметры объекта имеют номинальные значения. Возмущающие воздействия могут изменять технологические параметры, выводя объект из установленного регламентом режима. Цель работы управляющего устройства – поддержание определенных технологических параметров на заданном уровне.

АСУ ТП находится на более высоком уровне иерархии. На этом уровне управления решаются задачи отыскания оптимальных режимов совместно работающих технологических аппаратов, распределения нагрузки между отдельными технологическими аппаратами с применением управляющих ЭВМ.

Следующий уровень иерархии представляют АСУП. На этом этапе решаются не только задачи управления химико-технологическими процессами, но и экономические задачи. Управление осуществляется с применением управляющих ЭВМ.

Основные принципы автоматического управления.

Принято различать три фундаментальных принципа управления: принцип разомкнутого управления, принцип компенсации и принцип обратной связи.

2.2.1. Разомкнутое управление (управление по задающему воздействию)

Рис. 2.1. Управление по задающему воздействию.

Такие САУ осуществляют управление только по задающему воздействию y₀(t). Такое управление называют жестким, т.к. при этом не учитываются действительные значения управляемой величины y(t) и возмущающего воздействия f(t). Подобные САУ дают удовлетворительное качество управления лишь при высокой стабильности параметров САУ и внешней среды и при невысоких требованиях к точности. По структуре такие САУ являются разомкнутыми, т.к. не имеют обратной связи по управляемому параметру y(t) и не образуют замкнутого контура управления.

2.2.2. Принцип компенсации (управление по возмущающему воздействию)

В системе управления по возмущающему воздействию кроме информации о цели управления используется информация о возмущающих воздействиях. Одна из задач управляющего устройства при этом заключается в формировании такого управляющего воздействия, которое компенсировало бы влияние на объект управления измеренного возмущения. Поэтому такой принцип управления называется принципом компенсации.

Рис. 2.2. Управление по возмущающему воздействию.

Управление по возмущению основано на принципе компенсации возмущения. Управляемый параметр не измеряется, а используется информация о внешнем воздействии f(t). При этом сначала определяют, какое возмущающее воздействие является основным, а затем устанавливают, как необходимо менять значение управляемого параметра при изменении данного возмущения, для того чтобы значение его поддерживать постоянным.

Пример.

Рис. 2.3. Пример регулирования температуры в химическом реакторе.

Рассмотрим систему автоматического регулирования температуры реакционной смеси в реакторе (рис. 2.3), основанную на принципе компенсации. Предположим, что основным возмущающим воздействием является расход компонента А. При изменении расхода F_а регулятор 2 формирует управляющее воздействие (изменяет расход хладагента F_охл), не дожидаясь изменения управляемого параметра (температуры).

Что характерно для управления по возмущающему воздействию?

1. Это управление без обратной связи, что означает отсутствие информации об управляемом параметре.

2. Необходимо точно и верно выбрать канал, по которому может проявиться главное возмущающее воздействие.

Достоинства такого принципа управления:

а) быстродействие, так как возмущающее воздействие может быть скомпенсировано до появления рассогласования между текущим значением регулируемого параметра и его заданным значением;

б) возможность (теоретическая) полной компенсации

Достоинством принципа компенсации является быстрота реакции на возмущение. Недостаток – в случае преобладания неконтролируемых возмущений этот способ не дает требуемой точности.

2.2.3. Принцип обратной связи

Рис. 2.4. Управление по отклонению.

Наибольшее распространение получил принцип обратной связи. Здесь управляющие воздействие корректируется в зависимости от выходной величины y(t) и уже не важно, какое возмущение действует на объект. Если значение y(t) отклоняется от заданного значения, то происходит корректировка сигнала y(t) с целью уменьшение этого отклонения.

Рис. 2.4. Система автоматического регулирования.

Частным случаем САУ, работающих по принципу обратной связи, является система автоматического регулирования, представленная на рис. 2.4. Здесь Р – регулятор, на вход которого поступает отклонение . Если то регулятор не формирует управляющего воздействия. В случае, когда ε ≠ 0, вырабатывается управляющее воздействие u(t), направленное в сторону уменьшения сигнала рассогласования. При этом регулятор стремится компенсировать отклонение независимо от причин, вызвавших это отклонение. Такое управление можно назвать гибким, т.к. при этом учитывается действительное состояние объекта управления.

В качестве примера рассмотрим САР уровня воды в баке. (рис.2.5).

Рис. 2.5. САР уровня воды в баке.