Лекции в электронном виде (PDF)

Теория автоматического управления (лекции) п.п. all.doc1РАЗДЕЛ 1.Ведение. Основные понятия, термины и определения.1.1. Технологический объект управления.ТОУ – совокупность технологического оборудования и реализуемого на нем технологическогодействиясырьеэнергиятрудТОУвходная информациявыходная информациявнутренняя информация готовый продуктРис. 1ν (t ) - вектор внешних возмущающих воздействийX(t ) - вектор входящихпараметров, которыйY1(t ) - вектор выходныхТОУможет использоватьсяпараметровкак регулирующее,управляющеевоздействиеY1(t ) - вектор параметров, характеризующихРис.

2промежуточное состояние ТОУ (внутренняя информация)Y (t ) = F1 [X(t ), ν (t )]Y1(t ) = F2 [X(t ), ν (t )]1.2. Понятие об управлении.Управление – совокупность действий на ТОУ, выбранных на основе информации и направленныхна поддержание или улучшение функционирования технологического процесса.Управляющее возмущение должно обеспечить достижение поставленных целей (критерияуправления, целевой функции) при соблюдений технологических ограничений.Разработка специальных технических средств позволяет осуществить автоматическое управление.1.3. Системы управления, их виды.Рис.

3 Система ручного (дистанционного) управленияν(t)X(t)Y(t)ТОУИМручноеуправлениеИУинформацияУпр-щеевоздейст.ИУ – измерительное устройствоИМ – исполнительный механизмЛюбая система управления имеет автоматический регулятор.Теория автоматического управления (лекции) п.п. all.doc2Рис. 4 Система автоматического управления (САУ)ν(t)X(t)Y(t)ТОУИМПУИУавтоматическоеустройство (АУ)печатьАУ – автоматическое устройство для выработки управляющего воздействияПУ – переключатель управленияСАУ – система автоматического управления без участия человека (или с ограниченным участием)Современными САУ с применением технических средств являются человеко-машиннымисистемами, то есть человек – неотъемлемый элемент. Такие системы называютсяавтоматизированными системами управления технологическими процессами (АСУТП).Рис.

5 Виды Систем управленияСУРучноедистанционноеуправлениеСАУСАУтехническиесредстваАСУТПавтоматические регуляторыконтроллеры (control – управление)Основная задача СУ формирование и осуществление целенаправленных воздействий на ТОУ.ТОУисполнениеинформацияпринятиерешенийв зависимости от этой функцииопределяется тип СУ1.3.1. Понятие о системах автоматического управления (САУ).ПРИМЕР САУ.Ресивер – объем для сглаживания колебаний (газа)Теория автоматического управления (лекции) п.п. all.doc3мембранаF↓ → Р↑ - клапан приоткрылсяРотисточникаFпритокк потребителюклапанFпритокрасходВ устойчивом состоянии Fпр = FстРесивер – регулятор прямого воздействия (без участия человека)1.3.2.

Основные задачи синтеза и анализа САУ.Структурная схема САУ.f(t)УУε(t)U(t)АРμ(t)λ(t)x(t)ν(t)y(t)ТОУАСРУУ – устройство управленияАР – автоматический регуляторf(t) – заданная функция управляющего воздействияостальные параметры – см. расчетное задание с. 3.Представленную САУ можно разбить на 2 уровня:1. нижний уровень – АСР (автоматическая система регулирования)Её задача – устранение возмущений λ(t), ν(t) (внешние возмущения)Для этого необходимо выбрать структуру регулятора (АР), алгоритм его функционирования иоптимально настроить.Критерий качества:λ(t) возмущениеtpI=∫ y (t ) dt → min0Ограничение:λ(t)=1Степень затухания: Ψ =ty(t) на выходе при возмущенииy(t)=F{нп}А1настроечные параметрырегулятораIА3tА2tрA1 − A 3,A1обычно 0.7 ≤ Ψ ≤ 0.9Изложенное является основной задачей синтеза АСР.Теория автоматического управления (лекции) п.п.

all.doc4Чтобы настроить регулятор, необходимо выбрать:1. критерий качества;2. ограничения;3. сформулировать и решить оптимизационную задачу.2. верхний уровень.В качестве критерия настройки УУ используетсяинтеграл:λ(t) ν(t)f(t)УУАСРtpy(t)I=∫ f (t ) − y (t ) dt → min0Настройка УУ значит, что при наличиивозмущения на входе, на выходе lc такое жевозмущение (в идеале)Можно также ввести степень затухания:A − A3Ψ= 1A1настроечные параметры (нп)f(t)λ(t)=1ty(t)I→minА1А31ttридеальный случайреальность1.3.3.

Принципы построения САУ.1. Принцип иерархии2. Принцип декомпозиции системы – принцип разбиения системы на уровни.Используя первый принцип, легко применить второй.1.4. Понятие об АСУТП(Автоматизированная система управления технологическим процессом).АСУТП – человеко-машинная система, осуществляется автоматизированный сбор и обработкаинформации, необходимой для оптимизации управления.ИП – измерительный преобразователь (информация)ИМ – исполнительный механизм (реализация управляющих воздействий)ПТК – программно-технический комплекс (центральное ядро АСУТП)УСО – устройство связи с объектомУСОП – устройство связи с оперативным персоналомАРМ – автоматизированное рабочее место оперативного персоналаАТК – автоматизированный технологический комплексТеория автоматического управления (лекции) п.п.

all.doc5Х(t )Y (t )ТОУТОУИМ ИМИПИПАТКУСОПТКУСОУСОПАСУТПпринтерАрхивАРМПЭВМПТКАРМпромышленногоизготовленияОператорскаястанцияУСОИнженернаястанцияАрхивационнаястанцияУСОП1.5. Основные функции и обеспечение АСУТП.Функции:- информационные;- управляющие;- вспомогательные.АСУТПОбеспечение:- техническое;- организационное;- информационное;- метрологическое;- математическое;- программное;- лингвистическое;- эргономическое;- правовое.1.5.1. Информационные функции АСУТП.1.2.3.4.5.непосредственный контроль и измерение технологических параметровотображение информации (регистрация)сигнализация отклонений логических параметров от заданных значенийрасчет технико-экономических (косвенных) показателей (удельный расход, КПД и т.д.)диагностирование информационной системы.Теория автоматического управления (лекции) п.п.

all.doc61.5.2. Управляющие функции АСУТП.1.2.3.4.5.дистанционное управлениеавтоматическое регулированиелогическое управление (пуск и остановка оборудования, переход с режима на режим)автоматические защиты и блокировкиоптимальное управление технологическим процессом (оптимизация)1.5.3. Вспомогательные функции АСУТП.1. решение внутренних задач2. диагностирование функционирования комплекса технических средств АСУТП3.

связь с вышестоящими АСУОАСУАСУП- АСУ предприятий(организационноэкономические задачи)АСУТПТОУ1.5.4. Обеспечение АСУТП.• Техническое обеспечение – комплекс технических средств, необходимых для реализациифункциональных задач АСУТП (программно-технический комплекс ПТК + автоматизированноерабочее место оперативного персонала АРМ).• Организационное обеспечение – совокупность правил и предписаний, обеспечивающихвзаимодействие персонала с комплексом технических средств.• Информационное обеспечение – направление и характеристики информационных потоков.• Метрологическое обеспечение – совокупность показателей точности, надежности ибыстродействия.• Программное обеспечение – совокупность программ, обеспечивающих функционированиекомплекса технических средств (КТС) АСУТП и решение функциональных задач.Программное обеспечение (ПО):- Общее ПО – обеспечивает функционирование КТС АСУТП; поставляется изготовителем.- Специальное ПО – обеспечивает решение функциональных задач; разработчик – АСУТП.• Лингвистическое обеспечение – совокупность терминов и правил формализации языкаобщения персонала с КТС.• Эргономическое обеспечение – совокупность требований, предъявляемых к способам иформам представления информации, а также к формам и размещениям КТС.• Правовое обеспечение – юридическое обоснование функционирования АСУТП.1.5.5.

Понятие об оптимальном управлении.Оптимальное управление осуществляется в соответствии с выбранным критерием оптимальности,на который накладываются технические ограничения.Пусть критерий оптимальности: F = F{x(t ), y (t )}, где х – входные параметры, у – выходныепараметры. Критерий оптимальности равен целевой функции.x min ≤ x ≤ x maxОграничения:y min ≤ y ≤ y maxНадо найти х, у → opt , которые соответствуют экстремуму F.Теория автоматического управления (лекции) п.п. all.doc7Критерий оптимальности – показатель, характеризующий качество работы технологическогообъекта управления и принимающий различные значения в зависимости от управляющихвоздействий.ПРИМЕР: F = F{x}FxminxmaxЕсли нет ограничений, то критерий оптимальности: x opt → FmaxFmaxxoptxxopt, огр.Для линейной функции задача оптимизации не имеет смыслабез ограничений.FFminxminFmaxxmaxx2. Динамические системы.

Способы математического описания.Любой технологический объект управления (ТОУ) и любая САУ являются динамическимисистемами.2.1. Понятие о динамической системе (ДС).X(t )F(t )Y (t )ДСДС - система, входы и выходы которой изменяются во времени.Y (t ) = X(t ) ⋅ F{X(t )}2.2. Описание динамической системы (ДС) с помощью дифференциальных уравнений (ДУ).Основнымматематическимаппаратом,позволяющимисследоватьДСявляютсядифференциальные уравнения, аргументом в которых служит время.ПРИМЕР:В основе дифференциальных уравнений, описывающих ДС, лежатуравнения сохранения вещества и энергии для нестационарногоGпр(t)H(t)ДСрежима.Уравнения материального и теплового баланса – уравненияGпр(t)сохранения вещества и энергии.G опр (t ) − G ост (t ) = 0, стационарный режимG пр (t ) − G ст (t ) ⋅ dt = dV = FdHV = F ⋅ H ⇒ dV = FdH − приращение объемаFсечУравнение материального баланса для нестационарного режима.НоdHF⋅= G пр − G ст - дифференциальное уравнение для емкостиdtК αG ст (t ) = α Н , α - положение клапана КРатм, Gсток(t)Теория автоматического управления (лекции) п.п.