Система автоматического управления.

Принцип разомкнутого управления

Сущность принципа состоит в том, что алгоритм управления вырабатывается только на основе заданного алгоритма функционирования и не контролируются другими факторами - возмущениями или выходными координатами процесса. Общая функциональная схема системы имеет вид:

Задание x₀(t) алгоритма функционирования может вырабатываться как специальным техническим устройством - задатчиком программы 1, так и выполняться заранее при проектировании системы, и затем непосредственно использоваться при конструировании управляющего устройства 2. В последнем случае блок 1 на схеме отсутствует. Схема имеет вид разомкнутого контура, в котором основное воздействие передается от входного элемента к выходному элементу 3 как показано стрелками. Это и дало основание принципа. Близость х₀ и х в разомкнутых системах обеспечивается только конструкцией и подбором физических закономерностей, действующих во всех элементах.

Принцип компенсации (управление по возмущению)

Если возмущающие воздействия настолько велики, что разомкнутая цепь не обеспечивает требуемой точности выполнения алгоритма функционирования, то для повышения точности иногда возможно, измерив, возмущение, ввести по результатам измерения коррективы в алгоритм управления, которые компенсировали бы вызываемые возмущениями отклонения алгоритма функционирования.

Так как отклонение регулируемой величины зависит не только от управляющего μ (вектора управления), но и от возмущающего f воздействия, то есть X = F₁(μ, f), то в принципе можно подобрать управление μ=F₂(f) таким образом, чтобы в установившемся режиме отклонение отсутствовало, то есть

Функциональная схема регулирования по возмущению имеет вид:

Регулирование в функции возмущающего воздействия позволяет получить неизменное значение выходной переменной в определенном диапазоне изменения этого возмущения. Такой способ называется принципом регулирования по возмущению. Однако при таком регулировании не учитывается и не компенсируется отклонение выходной переменной, вызываемое другими факторами.

Устройство, осуществляющее управляющее воздействие на регулятор в функции возмущающего воздействия, можно назвать компенсирующей связью.

При наличии нескольких возмущающих воздействий регулятор должен иметь компенсирующие связи по каждому из этих возмущений, чтобы обеспечить поддержание выходной переменной на заданном уровне. При этом усложняется конструкция регулятора и потребуется большое количество разнообразных элементов.

НАЗНАЧЕНИЕ И СОСТАВ АСУТП

АСУТП предназначены для выработки и реализации управляющих воздействий на технологический объект управления (ТОУ) в соответствие с принятым критерием управления (оптимизации) и с помощью современных средств сбора и переработки информации. Критерием управления мощных производственных комплексов, является прибыль.

Совокупность совместно функционирующих ТОУ и АСУТП называют автоматизированным технологическим комплексом (АТК).

Блок АТК включает в себя:

1. чувствительные элементы - средства получения информации (сигналов) о состоянии ТОУ;

2. преобразователи - средства формирования и передачи информации в системе;

3. вторичные приборы и регуляторы - средства локального регулирования и управления;

4. средства вычислительной техники;

5. исполнительные устройства - средство воздействия на ТОУ;

6. блок связи с АСУТП - это средства передачи информации в смежные и вышестоящие АСУ.

Комплекс технических средств АСУТПфункционирует на основе

программного информационного и организационного обеспечения.

Программное обеспечение - совокупность программ, необходимых для

реализации функций АСУТП. Его подразделяют на общее и специальное программное обеспечения.

Информационное обеспечение включает: сигналы, характеризующие АТК: системы классификации и кодирования технологической и технико-экономической информации: массивы данных и документов, необходимых для выполнения всех функций АСУТП.

Организационное обеспечение представляет совокупность описаний системы и ее частей, инструкций и регламентов для оперативного персонала.

ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ АСУТП

1. Сбор и первичная обработка информации: опрос чувствительных элементов с заданной частотой; фильтрация измерений; расчет действительных значений параметров по информации от чувствительных элементов (температуры, давления, уровня, расхода и т. д.) с учетом их характеристик и введение поправок на состояние контролируемых сред; усреднение и интегрирование параметров за час, смену, сутки и т.д.

2. Определение за час, смену, сутки оперативных ТЭП (технико -экономических показателей); фактических расходных показателей сырья, пара, эл/энергии; производительности по основному сырью и целевым потокам и т.д.

2. Контроль состояния установки, обнаружение отклонений текущих значений параметров от уставок регулятора, а также уставок от min и max - ума допускаемых значений; сигнализация и регистрация отклонений значений параметров от допускаемых значений; индикация параметров по вызову оператора, диагностика и поиск неисправностей.

3. Регулирование параметров - сравнение текущих значений с заданными и выдача соответствующих регулирующих воздействий.

4. Однотактное логическое управление реализующее функции защиты и блокировки; выполнение программных и логических операций дискретного управления процессом, оборудованием.

5. Оптимальное управление, то есть поиск и выдача оптимальных управляющих воздействий путем решения уравнений математической модели процесса. Это функция АСУТП - она из самых сложных и ответственных.

6. Прием, анализ и выдача заданий и ограничений; подготовка и выдача оперативной и обобщенной информации АСУТП.

7. Пуск и останов агрегатов производства.

Режимы работы АСУТП

В зависимости от степени участия человека в выполнении функций АСУТП различают:

1. Автоматизированный

режимы работы АСУТП

2. Автоматический

В 1 -ом режиме человек принимает участие в управлении; возможны варианты реализации данного режима:

а) ручное управление, при котором человек по информации о
состоянии ТОУ принимает решение и непосредственно воздействует на
процесс с помощью исполнительных механизмов;

б) режим «советчика», при котором вычислительная техника
рекомендует человеку оптимальное значения режимных параметров
процесса, обеспечивающих цели управления; а оператор на основе своего
опыта и знаний анализирует эти советы, а также информацию о процессе,
получаемую по различным каналам, принимает решение о целесообразности
изменений режима и в случае принятия совета вмешивается в работу объекта
управления, либо меняет задание регулятора, либо непосредственно с
помощью исполнительных механизмов;

в) диалоговый режим, когда оператор имеет возможность
корректировать постановку и условия задачи, решаемой вычислительной
техникой при выработке рекомендаций по управлению ТОУ.

Автоматический режим работы АСУТП просматривает выработку и реализацию управляющих воздействий без участия человека. Возможны следующие варианты:

а) режим косвенного управления, когда средства вычислительной техники автоматически изменяют уставки и коэффициенты настройки локальных систем автоматического регулирования;

б) режим прямого НЦУ, когда управляющие вычислительное устройство формирует воздействие на исполнительный механизм, при этом оно не только осуществляет поиск оптимальных значений параметров, но частично берет на себя функции локальных регуляторов.

Наиболее перспективным из всех перечисленных является режим НЦУ,
при этом обеспечивается возможность реализации более сложных законов
регулирования, появляется возможность реализации систем самонастройкой;
Применение НЦУ позволяет исключить из комплекса техн. средств (КТС)
вторичные приборы, а значит и громоздкие щитовые помещения с
панорамными мнемосхемами.

Манометрические термометры

Использован принцип зависимости давления газов или паровой среды от температуры.

Принцип действия:

Термобаллон 1 заполняют рабочим веществом (спец. жидкостью, газом или парами низкокипящей жидкости). Баллон соединен капилляром 2 с сильфоном 3. При изменении температуры вследствие изменения давления внутри системы, изменяется координата h выходного стержня 4. Перемещение стержня 4 может быть преобразовано в необходимый вид сигнала.

Термометры сопротивления

А) платиновый термометр сопротивления (ТСП)

Б) термистор

1 -слюденая пластина;

2-платиновая проволока;

3-серебряная клейма для скрепления клейм;

4-подводимые серебряные провода;

5-защитный чехол из железа;

6-проводники, покрытые защитным слоем стекла;

7-выводы.

Си и Fe используют до 150С. Для более высоких t-p используют Pt и Ni (до 1000С).

Термисторы имеют отрицательный t-рный коэффициент

R = Ае * B/tx,

где А и В - постоянные коэффициенты, зависящие от свойств проводника;

tx - температура.

Полупроводниковое сопротивление более чувствительно примерно в 8-15 раз, но обладает недостатками.

Нестандартность величин термосопротивлений в одной партии и нелинейность сопротивлений от t-ры.

R

О

Температурные зависимости термосопротивлений

А) Для Me;

Б) для полупроводников.

Величина выходного сигнала термосопротивлений измеряется с помощью автоматических мостов и логометров.

В автоматических электронных мостах применяется автоматическое мостовые измерительные схемы которые служат для измерения электрических сопротивлений, индуктивности и емкости.

Пирометры

Все рассмотренные выше термометры предусматривают прямой контакт между чувствительным элементом и измеряемым телом или средой, такие измерения называются контактными.

Верхний предел этих методов ограничен значениями 1800 - 3000 С. Однако иногда нужно измерять значения > 3000 °С, в некоторых случаях недопустим контакт со средой.

В этих случаях применяют бесконтактные методы, которые измеряют температуру по тепловому излучению. Их называют пиромерами (приборы работающие по этому методу).

Для измерения высоких температур технологических процессов применяют следующие пирометры:

а) квазимонохроматический;

b) полного излучения;

с)спектрального излучения

• Квазимонохроматический пирометр - действие которого основано на использовании зависимости температуры от спектральной энергетической яркости, описывающейся законом Планка.

• Пирометром спектрального излучения называется пирометр, действие которого основано на использовании зависимости температуры от отношения спектральной энергетической яркости для двух или более фиксированных длин волн.

• Пирометром полного излучения называется прибор, действие которого основано на зависимости температуры от интегральной энергетической яркости излучения.

•

2. Методы и средства измерения давления Контроль за большинством технологических процессов связан с измерением давления газа или жидкости.

Если давление измеряется в аппарате с жидкостью или газом, то оно характеризует внутреннюю энергию среды и является одним из параметров состояния.

При измерении различают абсолютное давление, избыточное давление Р и вакуумметрическое давление Рв :

Ра = Р + Ратм Рв = Ратм - Ра

Средства измерения, предназначенные для измерения давления, называются манометрами.

Они делятся на:

1. барометры - измеряют атмосферное давление;

2. манометры избыточное давление - когда давление больше атмосферного;

3. вакуумметры - когда давление меньше атмосферного;

4. манометры абсолютного давления;

5. напоромеры и тягомеры, когда давление меньше 40 МПа;

6. дифманометры, которые замеряют перепад давлений.

В зависимости от принципа, используемого для преобразования силового воздействия давления на чувствительный элемент средства измерения давлений делятся на:

1. жидкостные;

2. деформационные (упругие);

3. пьезоэлектрические;

4. магнитоупругие;

5. ионизационные;

6. тепловые.

1. Предназначены для измерения небольших давлений, разряжений или разности давлений, в основном, в лабораторных условиях.

Принцип измерения: уравновешивание измеряемого давления или разностидавлений, давлением столба жидкости:

Р = h *p- для измерений Р;

ΔР = Р₁ - Р₂ = Δh * γ - для измерений разности давлений; где Р, PI, P2 - измеряемое давление , ΔР - их разность, h - высота столба жидкости, ρ удельный вес жидкости.

Жидкостные манометры бывают следующих типов:

А) U-образные

Б) Чашечный манометр

В) С наклонной трубкой

2. Деформационные манометры подразделяются на приборы:

a) с одновитковой трубчатой пружиной (трубка Бур дона);

b) многовитковая трубчатая пружина (Геликс);

c) с гармониковой пружиной (сильфон);

d) мембраны.

Принцип действия этих манометров основан на уравновешивании сил измеряемого давления упругими силами пружины. При этом происходит перемещение участка пружины, находящейся в функциональной связи с измеряемой величиной давления и используемого перемещения отсчетного и регистрирующего устройства. 1) одновитковая пружина α- угол отклонения данной трубки

Пунктиром показаны положения пружины и его поперечного сечения при увеличении Р от 0 до Р.

2). Многовитковая трубчатая пружина (Геникс)

Принцип действия многовитковой пружины аналогичен одновитковая, но ее чувствительность больше за счет роста < α, который возрастает во столько же раз, во сколько длина оси многовитковой пружины больше длины оси одновитковои пружины.

Р

3). Сильфоном измеряют размер h с изменением величины измеряемого давления.

Они обеспечивают линейную зависимость перемещения от Р и могут применятся при значительных величинах давления.

4). Мембраны

В них используется зависимость прогиба Δh от изменения давления ΔР. Деформация мембраны от Р выражается формулой:

Е - модули упругости;

А, В - безразмерные коэффициенты, зависящие от типа гофр;

R - радиус материала;

δ-толщина материала.

Мембраны применяются в дифманометрах. По обе стороны мембраны действует измеряемое давление Pi и Р₂ и Ah определяется формулой: X

Под мембраной ставится кристалл, который накапливает электричество под действием давления.

Мембранные манометры типа ДМПК

Система дистанционного измерения расх. обев. широкое распространение получили мембранные дифманометры типа ДМПК-4. Цифра 4 обозначает давление измеряемой среды до 4кг на 1 см² , есть еще ДМНК-100.

Принцип действия:

При изменении разности P₁ - Р₂ = ΔР. Мембрана 1 прогибается и перемещая рычаги 2 влечет за собой изменение расстояния между соплом и заслонкой 3. Давление в системе «сопло - заслонка» пропорционально ΔР и является измерительным сигналом, который после усиления подается на вторичный прибор.

Дифманометры мембранные типа ДМ

Они имеют выходной унифицированный сигнал и могут работать в комплекте со вторичными диф.трансформаторными приборами.

Счетчики Различают 2 вида:

— скоростные счетчики изготавливают с вертушкой по вертикальной оси а) Счетчик с вертушкой

б) Счетчик турбинный с преобразованием числа оборотов с помощью
тахогенератора.

в) Счетчик индуктивный, используется принцип замыкания магнитной цепи
лопастями крыльчатки.

У всех вертикально осевых.

Скоростные счетчики изготавливают на вертушке, установленной в камере счетчика. Скорость вертушки пропорциональна скорости жидкости.

Число оборотов суммируется счетным механизмом.

Объемные жидкостные счетчики выпускают - поршневые с эвольвентными шестернями, - дисковые и ротационные.

Количество жидкости определяется объемом его камеры, установленной на число циклов (ход поршня, качание диска, обороты шестерни) счетчика.

На данных рисунках показаны счетчики количества вещества скоростные. Под а) счетчик с вертушкой.

Для электропроводящих жидкостей используется индукционные расходометры, использующие принцип наведения ЭДС потоком жидкости при пересечении магнитного поля.

см. выше Принципиальная схема индукционного расходомера.

Вибрационно - массовые расходомеры.

Q

Измерительная часть расходомера представляет собой маятник на упругой подвеске, образованный тонкостенной трубкой 1 с тяжелым грузом 2 из ферромагнитного материала. В трубку поступает газожидкостный поток, в корпусе 3 ввернуты пробки 4 из немагнитного материала и к ним снаружи прикреплен трехстержневой магнитопровод с катушками 5 на каждом стержне.

Подачей на катушки импульсного тока от возбудителя 6 вызываются свободные затухающие колебания маятника. Амплитуда колебаний снимается с катушки 5 в виде напряжения и затухающего по экспоненциальному закону.

Масса газожидкостной смеси зависит от амплитуды, затухающих колебаний функции.

Расходомер обеспечивает измерение среднего массового расхода с точностью 2%.

Приборы для измерения уровня Приборы для измерения уровня по принципу действия делят:

1- поплавковые;

2 - дифманометрические;

3 - электрические;

4 - радиоактивные;

5 - ультразвуковые.

Поплавковые уровнемеры используют принцип слежения поплавка, плавающего на поверхности жидкости, за изменением ее уровня.

Схемы поплавковых уровнемеров:

а)----------

.

а) камерное измерение уровня:

1 - поплавок;

2 - противовес;

3 - Выходное устройство, преобразующее изменение уровня в показание прибора.

б) следящий уровнемер:

1 - поплавок;

2 - рычаг, передающий усилие натяжения троса на управляющий элемент;

3 - управляющий элемент;

4 - двигатель электрический;

5 - барабан.

2. Дифманометрические уровнемеры основаны на принципе разности давлений вверху и внизу столба измеряемой жидкости.

В качестве измерительного прибора используется дифманометр.

Н = (р + hγ) - р = hγ, если γ = const, то Н = h

P+hX

Емкостной уровнемер

Емкость измеряется мостовой схемой по принципу емкостных

уровнемеров.

Принцип действия основан на измерении электрической емкости

между двумя электродами. Одним электродом обычно является резервуар,

второй - изолирован.

Емкость конденсатора равна

проводимая жидкость

-пластина

1-электрод - корпус;

2-изолированный от корпуса электрод.

При постоянных размерах аппарата и электрода и геометрическом расположении емкость будет зависеть от диэлектрической проницаемости среды, является функцией уровня (чем больше уровень, тем больше емкость).

Радиоактивный уровнемер

Из радиоактивных уровнемеров наибольшее распространение получили гамма-реле.

1 - источники излучения;

2 - приемники;

3 - блок управления;

4 - сигнальные лампы предельных значений уровня.

Здесь используется принцип ослабления излучения измеряемой средой. которое выражается зависимостью

I=I₀*e-^md

I, I₀ - интенсивность потоков излучения до и после прохождения слоя вещества;

и d - плотность и слой поглотителя;

μ- массовый коэффициент поглощения

Ультразвуковые уровнемеры

1 - излучатель и приемник;

2 - генератор;

3 - измеритель времени;

4 - усилитель;

5 - самописец.

t=

2l/C

L - расстояние;

Q - скорость распространения ультразвука в измеряемой среде.

Расходомеры

Это приборы, с помощью которых определяют суммарное количество вещества, прошедший за определенный промежуток время.

Принцип работы больший части расходомеров основан на эффекте от установки в трубопроводе сужающих устройств (дросселей). При прохождении жидкости или газов через дроссель, скорость потока в месте сужения резко возрастает, а давление падает.

Разность давлений до и после дросселя называют перепадом давлений и он зависит от расхода среды, что положено в основу расчета расхода.

Различают расходомеры переменного и постоянного перепада давлений.

К расходомерам постоянного перепада давлений относятся ротаметры с поплавком свободно перемещающемся в конической трубке и расходомеры с нагруженным поршням.

Сужающими устройствами переменного давления являются диафрагмы, трубки Вентури и трубки Пито.

Перепад давлений измеряем дифманометрами.

Ротаметры

В прозрачном корпусе 1 под действием потока Q перемещается поплавок 2.

Принцип действия заключается в том, что при движении жидкости или газа снизу вверх через коническую трубку, помещенной внутри ее поплавок поднимается или спускается до тех пор, пока сила его тяжести не уравновесится выталкивающей силой потока.

Для не прозрачных жидкостей ротаметры снабжены магнитными или дифференциальными преобразователями, обеспечивающими одновременно дистанционную передачу показаний.

Q

Ротаметры для измерения расхода непрозрачных жидкостей А) с магнитным преобразователем и пневматической дистанционной системой;

Б) с дифференциальной трансформаторной схемой преобразования и электрической передачи

1-поплавок;

2-корпус; * 3-постоянный магнит; 4-наружный магнит;

5-пневматический преобразователь (сопло-заслонка); 6-дифференциально-трансформаторный преобразователь.

Сужающие устройства

Наиболее распространенным методом расхода является метод переменного перепада давления если в трубопровод (1) - ввести сужающие устройства 2, то давление Р1 будет больше давления Р2

Разность давлений связана с объемным расходом Q следующим соотношением:

или Q ≈√р К, где Р = Р1 - Р2

F ₀ -площадь поперечного сечения диаметрально сужающего устройства;

γ- удельный вес измеряемой среды; α- коэффициент расхода

Для измерения расхода применяют нормальные диафрагмы и сопла. Дифференциальные манометры для измерения расхода. Для измерения перепадов давления на сужающих устройств используются дифф. манометры.

A

Система автоматического управления.

Объект управления и управляющее устройство (контроллер) во взаимодействии друг с другом образуют систему автоматического управления. Техническое устройство, выполняющее функции управления, называют автоматическим управляющим устройством (УУ) или контроллером. Любая система управления строится на основе трех функциональных блоков рис. 1.1.1.

Рис. 1.1.1.

Первый блок состоит из устройств, позволяющих получить информацию о текущих значениях управляемых процессов (или других процессов в объекте, связанных с управляемыми). Этот блок называют измерительным или блоком датчиков информации (ДИ) - блок чувствительных элементов, в ходе функционирования этого блока выдаются информационные сигналы. Эти сигналы поступают во второй блок, блок преобразования и хранения информации (ПИ), где на их основе, а также на основе заранее заложенных сведений (априорной информации) вырабатываются сигналы управления. Правило (алгоритм) преобразования информационных сигналов в сигналы управления называется законом управления.

Сигнал управления показывает, каким должно быть управляющее воздействие в текущий момент времени. Чтобы выработать управляющее воздействие, превратить сигнал в механическое усилие или поток тепла, или поток вещества, требуется еще один блок - исполнительное устройство (ИУ).

Совокупность перечисленных блоков образует замкнутый контур, охватывающий объект управления. Систему, где присутствуют все эти блоки, называют замкнутой системой, или системой с обратной связью от управляемых процессов к управляющим воздействиям.

Используются и более простые разомкнутые системы, где отсутствуют датчики информации, а функции преобразователя информации сводятся лишь к хранению и выдаче выработанной программы управления с требуемыми в каждый момент времени значениями сигнала управления.

Таким образом, в системе управления можно выделить информационную часть, осуществляющую получение, хранение, обработку и выдачу информации, и энергетическую (силовую) часть, служащую для преобразования информации (сигнала управления) в управляющее воздействие на объект.

Обобщенная структурная схема САУ имеет вид, представленный на

рис. 1.1.2.

Рис. 1.1.2.

Устройство, в котором протекает процесс, подлежащий регулированию (управлению), называется регулируемым объектом (объектом управления). Объект управления может быть представлен как управляемым техническим устройством, так и более простой системой управления.

Состояние объекта определяется рядом величин, характеризующих как воздействие на объект внешней среды и управляющих устройств, так и протекание процессов внутри самого объекта. Одни из этих величин измеряются в процессе работы и называются контролируемыми. Другие, влияющие на режим работы объекта, не измеряются и называются неконтролируемыми.

Контролируемые величины, характеризующие состояние объекта, по которым ведется управление, называются управляемыми или регулируемыми. Регулируемые величины в той или иной степени характеризуют качественные показатели процесса в управляемом объекте.

Автоматически действующее устройство, предназначенное для выполнения задачи регулирования, называется автоматическим регулятором. Часть регулируемого объекта, на которую воздействует регулятор, называется регулирующим устройством, состоящим из исполнительного механизма и регулирующего органа.

Автоматический регулятор вместе с регулируемым объектом называется системой автоматического регулирования.

Изменения регулируемых величин вызываются часто возмущающими воздействиями, приложенными к системе автоматического регулирования.

Возмущающим называется всякое воздействие, которое стремится нарушить функциональную связь между управляющим воздействием и регулируемой переменной.

Воздействие, приложенное к элементу сравнения системы регулирования, называется задающим воздействием или входным сигналом, или величиной на входе системы.

Рис. 1.1.3. Обобщенная структурная схема системы автоматического регулирования

g(t) - задающее воздействие;

ε(t) - сигнал ошибки (рассогласования);

μ(t) - регулирующее воздействие;

f(t) - возмущающее воздействие;

x(t) - регулируемая переменная;

y(t)- выходная координата.

Величиной на входе будем называть регулируемую величин

§1.2. Фундаментальные принципы управления

Зная, статические и динамические свойства управления системы, можно построить математическую модель системы и найти такой алгоритм управления, который обеспечивает заданный алгоритм функционирования при известных, заданных воздействиях. Однако модель всегда приближенно выражает свойства оригинала, а возмущающие воздействия могут изменяться не известным заранее образом, поэтому при найденном алгоритме управления фактическое поведение системы будет отличаться от желаемого, определяемого алгоритма функционирования.

Чтобы приблизить поведение к требуемому, алгоритм управления нужно увязать не только со свойствами системы и алгоритмом функционирования, но и с фактическим функционированием системы.

В технике известны и используются три фундаментальных принципа: разомкнутого управления, компенсации и обратной связи.