Густав Олссон, Джангуидо Пиани - Цифровые системы автоматизации и управления (1087169), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Рнс. 2.9. Простой контур управления — система регулирования температуры Регулятор температуры демонстрирует некоторые основные свойства контурз управления. Температура должна измеряться с частотой, определяемой постоянной времени процесса. Если теплоемкость бака велика, то постоянная времени имеет относительно большое значение. Наоборот, если объем бака небольшой, а нагреватель мощный, то постоянная времени процесса мала и система управления должна доста. точно часто измерять температуру и включать или отключать нагреватель. Таким образом, при проектировании цифровой системы управления должны быть учтены основные динамические характеристики процесса.
Соответствующие алгоритмы регулирования будут изложены в главе 6. 2.2.3. Генерация опорного значения Иногда в химической реакции необходимо поддерживать величину температуры в соответствии с опорным значением (ге~егепсе па!ие) — уставкой (хегроплг аа)ве) которое постоянно пересчитывается во время протекания процесса. Вычисление опорной температуры не должно иметь заметного запаздывания — каждое ее ново~ значение должно быть рассчитано до момента очередного сравнения с текушей тем пературой. Этот процесс схематично представлен на рис.
2.10. Система, отслеживающая значение опорного сигнала с достаточной точностью н быстротой, называется сервомеханизмом или, кратко, серво. В сервосистемах опор ные значения либо рассчитываются, либо задаются в виде таблиц. Например, в систем~ управления роботом перемещения манипулятора как функция времени описывают ся траекторией. Траектория рассчитывается заранее как кривая в пространстве, ко торая называется путь (рай) нли контур (сонхоц") и ~ранится в табличном виде в памяти компьютера вместе с заданнымн интервалам" времени Таким образом, набор опорных значений для контроллеров полож'ния 'и"Рниров манипулятора извес ген в любой момент времени, Однако во многих ~~учаях траектория должна рассчв тываться одновременно с перемешением У ора робота, что сушественно м манипулято зю.ружает цП из-за сложной геометрии манипулятора.
2.2. Р 2 примеры задач УпРавления процессами Каждое вновь вычисленное опорное значение сравнивается с текущим положением Затем компьютер посылает сигналы коррекции двигателям, управляющим механическими шарнирами. Должна быть также предусмотрена и обратная операция— определение положения манипулятора по углам поворотов шарниров Оба вида расчетов требуют значительных вычислительных ресурсов и критичны по времени. 2.2.4. Системы, содержащие несколько контуров управления Во многих приложениях необходимо регулировать сразу несколько парамстров— температуру, уровень, давление, положение и т.
д., — для каждого из которых используется свой контур управления. В большинстве случаев эти отдельные задачи можно решить независимо друг от друга с помощью локальных специализированных регуляторов на основе алгоритма, аналогичного показанному на рис. 2.9. Альтернативным Решением является использование центрального управляющего компьютера, котоРый выполняет одну и ту же программу для различных параметров и входных данных каждого контура. Эта управляющая подпрограмма для каждого контура может исполняться со своей периодичностью, при этом компьютер должен обладать достаточцыми ресурсами для обработки всех данных за требуемое время.
рассмотрим офисное здание или многоквартирный дом, в котором необходимо Регулировать температуру каждой отдельной комнаты. Фактическое значение темпе ат р туры в каждой комнате зависит от влияния внешних факторов — открытых или зак ыть Р пых окон и дверей, количества людей в комнате, включено ли освешение и т, д. Для е Регулирования температуры в этом случае можно использовать один компьюР* оторыи поочередно обслуживает каждую комнату.
Компьютер многократно исполняет о яет одну и ту же программу управления каждый раз с новыми значениями выходи дных и входных переменных. 2.2, Взаимосвязанные системы На сложи ложных производствах одновременно используются разные типы управленвя, и со , соответственно, сушествует взаимосвязь между частными процессами. Наприме, з Р, апуск промышленного процесса может заключаться в выполнении ряда после о довательных шагов аналогично химическому реактору из раздела 2.2.1. После достиж жения процессом заданного рабочего состояния управление переводится на систем ' У Регулирования с обратной связью для более точного поддержания требуемого Режи, ма Примерами в этом смысле могут служить система электропривода и хими- Глава г. Особенности цифрового управления проце управления процессами ессзк, П имеры задач гг. Р 57 ческий реактор.
Двигатель или реактор выводится на рабочий режим при цо Оиоц„ управления последовательностью событий, а затем вступает в действие регула УлЯтОР обратной связью для поддержания требуемого значения скорости вращения ил лиг~к пературы соответственно. Пример из паточного производства служит иллюстрапией другого вида взвив 1МОХй ствия структур управления. В технологической линии робот перемещает детали и несколькими станками с ЧПУ.
Положение и скорость каждого механизма, включ и мех ючзз,, робота, управляются несколькими контурами регулирования с обратной связью т . ю тк„г показанных парис. 2.9 и 2.10. Очевидно, что механизмы не могут работать незаниснм ИСИИО„ их действия должны координироваться. Для синхронизации работы станков и рсб . РО ОТ. необходимо наличие управляющей системы — диспетчера.
Механизмы посыла|от д т лис петчеру сигналы о своем рабочем состоянии, как то: "операция выполнена", "робот ба т ю кирован", "станок готов к получению новой детали" и т. д. Диспетчер определяет ссю СОМ ветствующие управляющие воздействия для наиболее эффективного использовзви станков и робота, одновременно пытаясь избежать конфликтных ситуаций типа дгн тельного простоя станков или взаимных блокировок, Регулирование с обратной связью рассматривается в главе 6, управление песье довательностью событий — в ~лаве 7, а системная интеграция обсуждается в главе й Концепция координированного управления общими ресурсами системы (в расово; ренном выше примере — это робот) изложена в главе 10.
2.2.6. Критичные по времени процессы Многие процессы требуют высокого быстродействия системы управления. Рж. смотрим, например, регулирование скорости прокатного стана. Работу различны' двигателей и механизмов прокатного стана необходимо синхронизировать с высохз1 точностью, в противном случае стальная полоса может лиГ>о порваться, либо значв тельно погнуться. Идея управления заключается в некотором ослаблении натяяе ния стальной полосы в течение всего процесса. Высокая скорость движения поло" (10-100 и/с) обусловливает необходимость распознать изменение скорости любсп двигателя в пределах нескольких миллисекунд с последующей коррекцией скорсст" других двигателей. Разумеется, это предъявляет весьма высокие требования к бнсг' родействию управляющего компьютера, 2.2.7. Свойства процессов, усложняющие управление своу Уровень сложности системы управления определяется, в первую очередь, свс ствами управляемого процесса.
Среди прочих проблем, усложняющих управле" енИе наиболыпее влияние оказывают: — нелинейность процесса; — изменяющаяся внешняя среда; — изменение условий самого процесса; — значительные временные задержки; — внутренние связи процесса. Практически все физические процессы по своей природе нелинейны.
грактичес скк линейные соотношения в большинстве случаев представляют собой искусствевв рк положения вещей. Например, зависимость между силой реакние реального п упРошен ужины в механических системах очень часто нелинейна, т. е. , линением пру ции " уд ны увеличивается в два раза — сила реакции не удваивается, линение пружин Око ость протекания реакции в большинстве химических процесет оыстрее.
коро а Рвете . от температуры. При некоторой рабочеи температуре измене- линейно зависит о несколько градусов вызывает изменение скорости реакции. Это, е последней на неско то такое же изменение при другой рабочей температуре приве- однако, -, не означает, что ому же изменению скорости реакпии, ет к тОчНО такОМ , б агодаря своей простоте — по крайней мере, по сравнению с нелиТем не менее, лагод пением — линейные модели позволяют создавать удобные аппрок- вейным представлени ф ких систем.
Линейные и нелинейные модели рассматриваются симации физических в главе 3. Важный вид нелин " нелинейное~и — насыщение магнитных материалов электрических машин. Намагничи а Н ичивание якоРя является функцией не одной перемени й „„„„ от "истории" дви а и" двигатетя, т. е. состояний, предшествовавших текущему режиму,— эффект гистерезиса. Разгон электрического двигателя от нулевой скорости до поло- вины номинальной нето же самое, что снижение скорости от номинальной до ее по- ловины. При проектировании системы управления такие факторы необходимо учи- тывать. Нелинейность встречается не только в физических процессах, но и в их интерфей- се с компьютером, т. е. в датчиках и исполнительных механизмах.
Типичный при- пер — переключающий клапан: он может быть либо полностью открыт, либо полнос- тью закрыт. Компьютер способен на основе сложных вычислений определить, что Оптимальный входной поток для процесса составляет 46 или 107 % от значения, со- ответствующего полному открытию, но реально для клапана возможны лишь два значения 0 или 100 %. Кроме того, быстро изменяющиеся сигналы управления могут вызвать износ клапана, поэтому их необходимо избегать.
Меняющиеся условия внешней среды проявляются, например, в динамике самолета. Самолет ведет себя по-разному на малых и больших высотах из-за разницы в ПЛОти '"ности воздуха. Реакция на движение закрылков проявляется сильнее на низких высота, Отак где воздух более плотный, Поэтому автопилот должен учитывать высоту наряд с Р ду с десятками других факторов, чтобы управлять самолетом при изменяюших- СЯ УСЛОВИЯХ Поведени едение парового котла представляет собой пример процесса с изменяющеилична и и мал икон Из-за внутренних нелинейностей динамика котла существенно раз- Р" м~лых и болыцих уровнях мощности Это означает, что настройки параметров пег ля . Улятора должны зависеть от уровня мощности, на котором в данный Омент работа "ить в виде т б Охает котел.
Рабочие параметры как функцию мощности можно сохра~~блицы; такой метод называется табличным управлением коэффици' ом усиления Запаздыван про анне сигналов или наличие зон нечувствительности (мертвых зоп) Редставляет с ФУн ~~бой серьезную проблему для управления. Из-за этого регулятор "кциони вать Руст на основе устаревших данных, вплоть до того, что он может выдаь ложные к торь команды. ЗапаздываниЯ всегда пРисУтствУют в тех пРоцессах, где неко'е царамет кон, Р м~~ры нельзя измерить непосредственно. Например, при ре|улировании нцснтраци ~ии жидкости ее величина измеряется в нижнем сечении трубы и затем 59 управляющий нонкьютер пользовательский интерфейс оператор вычисление опорного значения процесс реакция на нештатные ситуации последовательное управление возмушения Йгнаркыв аггналы выходные аашзлы бизлгврвттд входкыв ааналы (управлеяив) Результаты измерении аналоговых величин Глава 2, Особенности цифрового УпРавления процеосац, передается регулирующему клапану, расположенному выше по течению Время, трг буемое для того, чтобы поток с новыми характеристиками достиг точки измеревяг приводит к запаздыванию информации, которое может вызвать неустоичивую рабг ту, т, т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
