Часть I. Лекционный курс

Часть I. Лекционный курс
ВВЕДЕНИЕ
Автоматизация строительного производства в нашей стране по существу
началась в 60-е годы ХХ столетия с переводом строительства на индустриальную основу, что форсировало развитие большого числа новых технологических процессов с использованием соответствующих средств механизации,
позволивших в значительной мере освободить человека от больших физических нагрузок, повысить производительность труда и качество строительной
продукции. По мере усложнения технологического оборудования – машин,
агрегатов, становилось очевидным, что эффективность их работы определяется не только удачным конструктивным исполнением, мощностью привода
и диапазоном рабочих режимов, но и возможностью эффективного управления. Понятие эффективности, при всей своей расплывчатости и неопределенности, предполагает наличие некоторых критериев, по которым она может
быть выражена количественными оценками или, как принято именовать в
терминах автоматики, – параметрами. Возможность измерять параметры и
целенаправленно на них влиять представляют собой в совокупности основу
автоматизации любого процесса, любого агрегата или машины.
Автоматизация технологических процессов в своем практическом аспекте ставит своей задачей обеспечение самопротекания (т. е. без непосредственного участия человека) тех или иных процессов с обеспечением заранее
указанных его характеристик – параметров. Эта цель достигается использованием в технологическом процессе специфического оборудования – автоматических управляющих (регулирующих) устройств или, как их чаще называют, - автоматических регуляторов.
На ранней стадии автоматизации регулятор устанавливался в качестве
некоторого дополнения, пристройки к уже существующему агрегату, конструкция которого часто проектировалась безо всякого учета такой возможности. Но постепенно статус автоматики повышался и автоматические регуляторы становились полноправной составной частью любого сложного производственного оборудования. Причем элементы автоматической системы могут быть так интегрированы в конструкцию агрегата, что бывает затруднительно среди конструктивных элементов технологического оборудования однозначным образом выделить элементы систем регулирования. Более того, с
позиций теории автоматического управления все оборудование, задействованное в автоматически протекающем технологическом процессе, входит в
состав системы автоматического управления (регулирования) – САУ (САР).
Таким образом, оборудование технологического процесса можно рассматривать двояко: и с позиций специалиста - технолога, и с позиций специалиста
по автоматическим системам. Вероятно, от того в какой степени каждый из
специалистов сможет совместить в себе обе точки зрения, будет зависеть эффективность их диалога и, разумеется, эффективность совместной работы.
3
Следовательно, можно считать не только желательным, но и необходимым знакомство студентов технологического направления подготовки, в частности специальности «Промышленное и гражданское строительство», с основными принципами автоматизации, её задачами в области строительства,
техническими средствами их решения, а также теми проблемами, которые
возникают на пути ее развития. Эти знания необходимы инженерустроителю, чтобы, активно и творчески участвуя в диалоге со специалистами
по автоматизации, правильно ориентироваться при формулировке требований к вновь разрабатываемым средствам автоматизации. Во-вторых, возможность полноценного инженерного изучения технической документации на
существующие строительные машины и оборудование, позволит специалисту - эксплуатационнику осуществлять их комплексный рациональный выбор, и достичь максимальной эффективности совместного использования
строительной техники.
Следует заметить, что инженеры-строители в своей деятельности уже
сталкиваются с использованием автоматизированных строительных машин и
автоматизированного технологического оборудования, и можно с уверенностью предположить, что эта тенденция будет в дальнейшем только усиливаться. Вопреки встречающемуся расхожему мнению: «чем автоматизированнее машина, тем проще с ней обращаться», надо указать, что эффективное
применение таких машин возможно только на основе ясного представления
принципов их функционирования. В противном случае эффект от использования может быть обратным, а само поведение машины будет вызывать недоумение и “естественное” желание его “упростить”, что оборачивается неграмотной и неэффективной эксплуатацией.
Управление процессами без непосредственного участия человека само
по себе не является самоцелью, тем более что далеко не всегда это экономически оправданно. Автоматизация кроме освобождения человека от рутинной
и однообразной работы, требующей повышенного внимания в тяжелых условиях производства (шум, вибрация, наличие вредных примесей в воздухе и
др.), позволяет значительно повысить качество управления технологическими процессами. Под этим понимается не только повышение точности поддержания необходимых технологических параметров – давления, температуры и т. д., но и быстрота и безошибочность реакции на различного рода аварийные ситуации. Все это в совокупности позволяет снизить непроизводительные издержки, повысить качество продукции, снизить ее себестоимость,
повысить культуру производства. Кроме того, существуют технологические
процессы в химическом производстве, производстве строительных материалов, протекающие настолько быстро, что человек не в состоянии эффективно
ими управлять. Внедрение таких “быстрых” технологий без автоматизации
вообще невозможно.
4
Глава 1. ОСНОВЫ АВТОМАТИКИ
1.1. Основные понятия и термины автоматики
Первый опыт создания автоматических регуляторов уходит корнями в
глубокую древность, и искать имя первого человека, начавшего заниматься
автоматизацией, также бесперспективно, как и имя изобретателя колеса. Элементы устройств, обеспечивавших постоянный напор воды для водяных
мельниц и орошения земли, не раз находили при археологических раскопках
древних поселений. Смотреть на такие примеры автоматизации снисходительно и свысока не следует: уровень автоматизации соответствовал уровню
управляемого технологического процесса. По мере совершенствования и усложнения технологических процессов совершенствовалось и то, что принято
сейчас называть автоматизацией. Особенно сильный толчок в своем развитии
автоматизация получила после изобретения парового двигателя: понадобились регуляторы давления пара, скорости вращения двигателя и др. Этот период можно считать началом перехода автоматизации из разряда своеобразного искусства в разряд науки – автоматики – науки об управлении процессами. Автоматика стала приобретать черты теоретической науки; были востребованы многие разделы математики: частотный анализ (преобразование
Фурье), операционное исчисление (преобразование Лапласа, преобразование
Хевисайда), некоторые области дифференциальных уравнений, булева алгебра и ряд других. Кроме того, исключительно из запросов автоматики появились и получили развитие многие новые разделы математики. По мере своего
развития автоматика сама становилась родоначальницей некоторых технологических процессов, в частности так называемых информационных технологий. К настоящему времени автоматика превратилась в огромную область человеческих знаний, ценность которых заключается не только в их практическом использовании, например для автоматизации производства, но и в мировоззренческом аспекте, для более полного понимания окружающего нас
мира, частью которого являемся и мы сами. Ведь и человек и Вселенная, как
по частям, так и целиком, функционируют автоматически.
Изучением явлений окружающего нас мира занимаются разные науки и,
в частности, физика, но в отличие от неё автоматика использует иные принципы и понятия. Если в физике одним из фундаментальных понятий является
энергия, и взаимодействие объектов физического мира - это в первую очередь их энергетическое взаимодействие, то в автоматике основополагающим
является понятие информации. Материальный мир с позиций автоматики –
это объекты, находящиеся в состоянии постоянного обмена информацией.
Функцией любого объекта является преобразование информации (рис. 1.1).
Он является и получателем информации, и, с другой стороны, её источником.
Информация передается с помощью носителей – сигналов (signum (лат.) –
знак), в роли которых могут быть любые физические величины: электрический ток, напряжение, сопротивление, механическое перемещение, угол поворота, давление, частота, временной интервал и др.
5
Рис. 1.1. Графическое обобщенное представление
преобразователя информации:
X – входная (преобразуемая) величина (сигнал);
Y – выходная (преобразованная) величина (сигнал);
F – функция преобразования
Таким же образом рассматривается и технологический процесс, подвергаемый автоматизации: входными величинами являются всякого рода воздействия на процесс, а выходными - его параметры.
Рассмотрим в качестве примера технологический процесс получения
сжатого воздуха в компрессоре (рис. 4.18, гл.4). Вся компрессорная установка, включающая в себя воздушный насос, приводимый во вращение электрическим двигателем, и накопительную емкость (ресивер), представляет собой
объект управления (ОУ), т. е. то, чем необходимо управлять. Параметром,
несущим информацию о состоянии ОУ, является давление воздуха в ресивере; воздействиями (входными величинами) будут скорость вращения двигателя, продолжительность его работы, производительность насоса, температура воздуха, интенсивность потребления (расхода) воздуха из ресивера и др.
Если задачей автоматизации компрессора считать поддержание заданного
давления воздуха, то все воздействия на наш ОУ можно разделить на две
группы: воздействия, с помощью которых можно пытаться поддерживать необходимое давление, - скорость и продолжительность вращения двигателя,
это так называемые управляющие воздействия; и воздействия, препятствующие этому, - непостоянство потребления сжатого воздуха, изменение температуры, изменение производительности насоса из-за износа. Эта вторая
группа воздействий получила название возмущающих.
Такое разделение воздействий является принципиальным, поскольку
оно отражает их участие в управлении объектом. Возмущающие воздействия
в отличие от управляющих не зависят от наших (или нашей управляющей
системы) желаний, они являются случайными и непредсказуемыми и препятствуют самопротеканию процесса поддержания заданного давления. Из-за
присутствия возмущающих воздействий и возникает необходимость в
управлении процессом. И независимо от того, осуществляется управление
вручную (оператором) или автоматически, суть процесса управления всегда
одна: в процессе управления, с помощью управляющих воздействий, производится компенсация всех возмущающих, в результате общее воздействие на ОУ будет равно нулю, а значит, не будет причин для отклонения параметра ОУ от желаемого значения. В рассматриваемом примере,
изменяя продолжительность работы двигателя насоса (управляющее воздействие), системе управления удается поддерживать заданное давление независимо от степени влияния всех дестабилизирующих факторов (возмущающих
воздействий). Если, к примеру, увеличится расход воздуха потребителем, то
6
система управления будет включать двигатель чаще и на более продолжительное время; если увеличатся обороты двигателя (из-за увеличения напряжения в сети), то продолжительность периодов его работы уменьшится.
Управление любым технологическим процессом (объектом управления),
в том числе и автоматическое, всегда включает в себя три стадии:
получение информации о текущем состоянии процесса (объекта);
переработку полученной информации, включающую:
– накопление и хранение данных;
– «очистку» данных от помех с целью повышения их достоверности;
– обработку данных по алгоритмам, позволяющим отслеживать изменение чувствительности управляемого объекта к воздействиям, а
также прогнозировать его поведение в будущем;
формирование управляющего воздействия на управляемый объект.
Каждую из указанных стадий можно рассматривать как преобразование
информации, т. е. весь процесс управления может рассматриваться как последовательность преобразований информации, которая поступает от объекта
управления и в переработанном виде опять возвращается к нему в виде
управляющего воздействия. В этом смысле любая управляющая автоматическая система является информационной.
Из сказанного выше следует, что система управления должна таким образом связать между собой параметры объекта управления, возмущающие и
управляющие воздействия, чтобы при этом результат совместного влияния
управляющих и возмущающих воздействий на объект был равен нулю. Эта
задача может быть решена двумя способами или, как принято называть, на
основе двух принципов регулирования.
1.2. Принципы регулирования
Объект управления и элементы регулятора, образующие в совокупности
САР, могут быть объединены двумя разными способами и в зависимости от
этого реализовывать два различных принципа регулирования. Один из них
получил название «принцип регулирования по отклонению параметра»
(принцип Ползунова-Уатта), второй – «принцип регулирования по возмущающему воздействию» (принцип Понселе). Рассмотрим каждый из них,
пользуясь соответствующими структурными схемами, которые в графической форме отображают последовательность прохождения потока информационных сигналов, их преобразований при функционировании системы.
На рис. 1.2 приведена структурная схема системы регулирования «по
отклонению параметра» или, как короче называют – «по отклонению».
Параметр Р объекта управления воспринимается датчиком и преобразуется в другую физическую величину – сигнал [P]. В элементе сравнения этот
сигнал вычитается из сигнала задатчика цели (З.Ц) управления. Сигнал задатчика несет информацию о желаемом значении параметра, а сам задатчик
является своего рода запоминающим устройством, хранящим в виде сигнала
[Pз] информацию о конечной цели регулирования. Сигнал разницы (отклоне7
ния) ∆ после усиления преобразуется исполнительным устройством в пропорциональное по величине и знаку изменение управляющего воздействия
∆XУ. Изменение управляющего воздействия на ОУ приводит к изменению
его параметра.
О.У. – объект управления; И.У. – исполнительное устройство;
Р.О. – регулирующий орган; И.М. – исполнительный механизм:
З.Ц. – задатчик цели (заданного значения параметра);
Ус – усилитель; э.с. – элемент сравнения;
Рис. 1.2. Структурная схема системы автоматического
регулирования “по отклонению параметра”
Измененное значение параметра Р преобразуется датчиком в новое значение сигнала [P] и … т. д. Изменения параметра происходят до тех пор, пока
сигнал ∆ не достигнет нулевого значения. Достижение этого состояния произойдет обязательно, так как при ненулевых значениях ∆ величина и знак
управляющего воздействия будут направлены на достижение этой цели. В
результате фактическое значение параметра Р станет равным заданному (желаемому) РЗ. Если, к примеру, Р > РЗ , то ∆ < 0, ∆XУ < 0, управляющее воздействие уменьшается, следовательно, уменьшается величина Р, приближаясь к
РЗ; если Р < РЗ , то ∆ > 0, ∆XУ > 0, величина Р увеличивается приближаясь к
РЗ. Таким образом, в любом случае управляющее воздействие имеет такой
знак, при котором величина параметра будет приближаться к заданному значению. При этом величина управляющего воздействия будет влиять на скорость приближения параметра к конечной цели, а значит, и на быстроту достижения регулятором этой цели.
Кольцевая структура, которую образуют объект управления и элементы
регулятора (датчик, элемент сравнения, исполнительный механизм и регулирующий орган), получила название контур регулирования. В реальных системах регулирования даже для одного объекта контуров регулирования может быть много, например, если речь идет об управлении несколькими параметрами ОУ.
Представленная на рис. 1.2 схема является иллюстрацией так называемой
обратной связи (ОС), которую создают в системе элементы регулятора, и
особенность которой заключается в том, что параметр объекта управления Р,
8
пройдя все преобразования в элементах регулятора, превращается в управляющее воздействие ХУ на самого себя1.
Идея обратной связи напоминает собой идею вечного двигателя, только в
данном случае речь идет об информационном вечном двигателе, которым и
является система автоматического регулирования2.
На рисунке 1.3, в качестве примера системы автоматического регулирования “по отклонению”, приведен вариант системы (точнее – подсистемы)
регулирования режимом работы бульдозера. Объектом управления является
бульдозер. Параметром управления выбрана фактическая мощность Q, развиваемая двигателем машины. Целью управления является поддержание заданного постоянного значения QЗ мощности. Смысл такой постановки задачи
управления заключается в том, что в этом случае система будет стремиться
обеспечить максимальную производительности машины (так как мощность
мотора идет на выполнение работы по срезанию и перемещению грунта) при
отсутствии недогрузки или перегрузки двигателя.
В качестве управляющего воздействия взята величина заглубления отвала в грунт. Постоянной загрузке двигателя препятствует непостоянная жесткость грунта, что и является в данной ситуации основным возмущающим
воздействием.
Фактическая мощность двигателя Q оценивается не непосредственно, а
как результат произведения измеренных соответствующими датчиками скорости вращения вала n и момента М на валу мотора. Результатом произведения
сигналов [n] и [M] является сигнал [Q], несущий информацию о фактической
мощности, развиваемой двигателем. Сигнал разницы ∆ после усиления через
соленоиды ЭМ1 и ЭМ2 управляет положением золотника. Если сигнал ∆ > 0,
что будет иметь место при Q < QЗ, т.е. при недогрузке двигателя, положительный сигнал усилителя через верхний диод поступит на катушку соленоида
ЭМ1, который втянет плунжер, в результате чего напор жидкости в гидросистеме через золотник будет поступать в верхнюю половину гидроцилиндра.
Это приведет к заглублению отвала бульдозера. Заглубление будет происхо-
1
Обратная связь (рис. 1.2), когда знак воздействия на объект противоположен знаку изменения параметра,
получила название отрицательной. Если же Э.С. будет не вычитать, а суммировать сигналы, то такая обратная связь станет положительной. При положительной ОС регулятор превращается в «антирегулятор», он будет стремиться отклонить параметр от заданного значения, поэтому в регуляторах главная обратная
связь всегда является отрицательной. Ниже на рисунке показаны механические аналоги отрицательной и
положительной обратных связей. На левом рисунке шар после толчка всегда стремится вернуться к состоянию РЗ , на левом – любой толчок приводит к уходу шара от состояния равновесия РЗ.
Обратная связь: отрицательная - слева; положительная - справа
2
Механизм обратной связи широко используется не только во всей автоматической системе целиком, но и в
ее отдельных элементах, позволяя получить требуемые характеристики преобразования информации элементами и повысить стабильность их работы.
9
дить до тех пор, пока сигнал ∆ не примет нулевое значение, т.е., пока мощность на валу мотора машины не достигнет заданного значения.
Рис. 1.3. САР нагрузки двигателя бульдозера
1 – золотниковый гидропереключатель; 2 – плунжеры соленоидов;
3 – силовой гидроцилиндр; ЭМ1, ЭМ2 – катушки соленоидов.
Если жесткость грунта на пути движения машины увеличится, то возрастут момент нагрузки на валу двигателя и величина Q, сигнал ∆ станет отрицательным, и после усиления поступит через нижний по схеме диод на катушку соленоида ЭМ2. Гидроцилиндр начнет поднимать отвал, снижая нагрузку на двигатель. Таким образом, изменяя заглубление отвала в грунт, регулятор обеспечивает постоянную загрузку двигателя.
Регулирующим органом, непосредственно оказывающим управляющее
воздействие, можно считать отвал бульдозера; в качестве исполнительного
механизма, приводящего регулирующий орган в движение, можно рассмат-
10
ривать гидросистему с соленоидным приводом золотникового гидропереключателя.
Влияние усилителя сигнала ∆ проявляется в быстроте и точности, с которой система восстанавливает заданное значение мощности Q при её отклонении от заданного значения из-за возмущений. Увеличение коэффициента
усиления усилителя в Кус раз, приведет в Кус раз большему значению величины сигнала, поступающего на катушки соленоидов золотникового гидропереключателя, и, как следствие, – к пропорционально большему потоку жидкости в гидроцилиндр и большей скорости перемещения отвала. Это означает, что реакция системы на возмущающее воздействие становится более
«энергичной» и менее продолжительной.
Но, оказывается, беспредельно увеличивать коэффициент усиления
нельзя. По мере роста Кус, как описано выше, происходит улучшение точности поддержания заданного значения параметра Q, но затем происходит обратное, – время восстановления заданного значения параметра значительно
увеличивается. Причем из-за инерционности механизмов, системы гидравлики, датчиков измерения мощности двигателя процесс приближения мощности Q к QЗ приобретает колебательный характер, – отвал то слишком заглубляется в грунт, то излишне поднимается. При дальнейшем увеличении Кус,
колебания становятся незатухающими с нарастающей амплитудой. Такое явление в автоматике называется потерей устойчивости системы регулирования. При большом размахе колебаний параметров возникающие в объекте
управления нагрузки могут превысить допустимые пределы и даже довести
объект управления до физического разрушения3.
На рис. 1.4 показаны типичные варианты переходных процессов в системах регулирования. На графике 2 отображена реакция системы (подъем отвала) при резком повышении жесткости грунта (график 1). В зависимости от
усиления в контуре регулирования характер переходного процесса перемещения отвала меняется от плавного, без перерегулирования, но с медленным
восстановлением заданной нагрузки на двигатель (график 3), до колебательного с нарастающей амплитудой. Основной причиной потери устойчивости
системы регулирования является, как правило, инерционность составляющих
ее элементов. Например, из-за инерционности датчика, система получает информацию не о фактической нагрузке двигателя, а о той, которая была некоторое время тому назад. В результате, реакция системы на отклонения мощности двигателя от заданного значения становится неадекватной реальной
ситуации. Радикальным методом «борьбы» с неустойчивостью систем регу3
Неустойчивость присуща не только техническим системам автоматического регулирования. В любой системе, где имеет место обратная связь – влияние реакции системы на причину, вызвавшую эту реакцию, возможна потеря устойчивости. Простейший пример – осевое сжатие тонкого стержня. При малых нагрузках процесс деформации стержня описывается законом Гука. Но если осевая нагрузка превысит некоторый
порог, незначительный внешний изгибающий момент может привести к появлению дополнительного «внутреннего» изгибающего момента (положительная обратная связь), под действием которого произойдет лавинообразная деформация изгиба и разрушение стержня. Более сложными, но заключающими в себе ту же
причину являются известные из истории авиации явления «флаттер» и «шимми». «Флаттер» - крутильные и
изгибные колебания крупнопролетных мостов при сильной ветровой нагрузке известен и строителям.
11
лирования является введение в их структуру так называемых корректирующих звеньев. С их помощью система «прогнозирует» будущее свое состояние
с учетом инерционности4. Это позволяет ей «подобрать» управляющие воздействия более точно и не потерять устойчивость.
Рис. 1.4. Переходные процессы в системе регулирования
а – устойчивый процесс регулирования с большим временем установления;
б - устойчивый процесс регулирования с малым временем установления,
но заметной колебательностью;
в – неустойчивый процесс регулирования
Возвращаясь к нашему примеру, заметим, что вопросы обеспечения устойчивости систем регулирования являются сугубо техническими, поэтому
решение их оставим специалистам в области автоматики. Но остаются вопросы, в решении которых придется участвовать тем, для кого автоматизация
создается, в данном случае – специалистам в технологии выполнения земляных работ.
Рассмотренная выше система (рис. 1.3) прекрасно справляется с задачей
стабилизации мощности двигателя. Тем не менее очевидно, что ее работа
приведет к тому, что участки поверхности с более мягким грунтом будут выбираться глубже, чем более жесткие, что впоследствии может потребовать
проведения дополнительной планировки поверхности с неизбежными затратами времени и средств.
Подобные ситуации, а они встречаются в практике автоматизации не
редко, могут дискредитировать саму идею автоматизации. Пользуясь рассмотренным примером, попытаемся расставить точки над i. Такая ситуация
4
Поскольку любую техническую систему можно описать соответствующей системой дифференциальных
уравнений, то с математической точки зрения, решение задачи устойчивости процесса регулирования является задачей подбора параметров системы дифференциальных уравнений для получения устойчивого ее решения. Решением этой проблемы для определенного класса уравнений занимался российский математик
конца XIX и начала XX века А.М. Ляпунов. Его работы по данному вопросу заложили, по существу, основы
современной теории устойчивости автоматических систем.
12
возникла не потому, что “техника ещё не может заменить человека”, а потому, что человек, создававший автоматизированный бульдозер, даже при технически безукоризненном исполнении системы не уделил должного внимания формализации задачи управления, т.е. либо не знал, либо посчитал несущественными, либо просто забыл учесть важные нюансы в технологии использования машины.
Рассмотренный выше пример автоматизации бульдозера можно легко
видоизменить таким образом, чтобы и двигатель был стабильно загружен, и
планируемая поверхность не имела «рельефа жесткости». Для этого в качестве управляющего воздействия можно выбрать не величину заглубления отвала, а, к примеру, передаточный коэффициент редуктора «двигатель – трансмиссия» - КР. В этом случае поведение машины будет иным: на мягком грунте, чтобы не снизить загрузку двигателя, регулятор увеличит передаточное
отношение редуктора. Это приведет к возрастанию скорости движения машины. На жестком грунте, наоборот, скорость снизится. Но и такое решение
задачи автоматизации бульдозера имеет свои скрытые «проколы». Например,
при работе машины на скользком грунте (мокрая глина) сила сопротивления
отвала движению, при заданном его заглублении, может превысить силу сцепления колес (гусениц) с грунтом. В итоге нагрузка на двигатель будет малой, так как ему легко вращать скользящие гусеницы, а система регулирования будет наращивать скорость их вращения. В итоге машина, оставаясь неподвижной, будет закапываться в грунт. Чтобы устранить и этот недостаток
необходимо предусмотреть возможность измерения и учета степени скольжения колес/гусениц. Это означает, что кроме “старого параметра” – мощности мотора - в систему необходимо дополнительно ввести новые. Не углубляя рассмотрение вопроса автоматизации бульдозера, отметим следующие
общие моменты:
- без знания технологического процесса, его особенностей невозможно
рационально спроектировать систему регулирования;
- главным при создании систем управления является не “выдумывание”
и рисование всевозможных схем и “изобретение” различных элементов и узлов. Главное - это формализация задачи управления, - лаконичная (без ненужных подробностей) и, в то же время, охватывающая все реально возможные ситуации в поведении технологического процесса.
Под формализацией задачи подразумевается в первую очередь выбор
перечня необходимых параметров, описывающих процесс (мощность двигателя, степень скольжения гусениц и др.), и их зависимость от управляющих
воздействий (заглубления отвала, коэффициента передачи редуктора и др.).
Важным моментом формализации задачи управления является указание желаемых значений выбранных параметров или закономерностей их изменения.
Анализ поведения системы на основе лишь только ее структурной схемы позволяет легко обнаружить серьезные, принципиальные промахи в решении
задачи (неверный выбор параметров, управляющих воздействий, неверный
выбор конечных (желаемых) значений параметров), или, наоборот, убедиться
в правильности выбранных решений. В настоящее время для такого анализа
13
широко применяются компьютеры, позволяющие моделировать процесс
управления не только для отдельных частных ситуаций, но и наглядно продемонстрировать разработчику будущей системы её поведение в динамике,
при всевозможных изменениях технологических факторов.
Рассмотрим принцип регулирования “по возмущающему воздействию”
(“по возмущению”). На рис. 1.5 приведена структурная схема системы автоматического регулирования работающей на основе этого принципа. В отличие от рассмотренной выше САР по отклонению, в системе автоматического
регулирования по возмущению параметр Р непосредственно не измеряется и
не учитывается. Измеряется причина его изменения - возмущающие воздействия XВ. Преобразованный датчиком сигнал [XВ], несущий информацию о
величине возмущающих воздействий, вычитается из сигнала задатчика [XЭ].
Разница [XУ] рассматривается в системе как сигнал, несущий информацию о
необходимом управляющем воздействии ХУ. Предположим, что в системе отсутствуют возмущающие воздействия (ХВ = 0). В этом случае будет иметь
место ХУ = ХЭ, т.е. на объект управления воздействует лишь управляющее
воздействие, равное эталонному.
Рис. 1.5. Структурная схема САР “по возмущению”
О.У. – объект управления; И.У. – исполнительное устройство;
З.Э.В. – задатчик эталонного воздействия (при котором
обеспечивается заданное состояние ОУ);
Если появится положительное (по знаку) возмущающее воздействие, то
управляющее воздействие будет уменьшено на ХВ. Если возмущение будет
отрицательным, то управляющее воздействие увеличится. Из приведенной
схемы следует, что объект управления испытывает оба воздействия ХУ и ХВ,
при этом:
ХУ + ХВ = (ХЭ – ХВ) + ХВ = ХЭ.
Это значит, что независимо от того есть возмущения или их нет, объект
управления всегда испытывает постоянное воздействие, равное эталонному,
а значит, не будет причин для отклонения параметра от заданного значения.
Главным достоинством регулирования “по возмущению” является его
упреждающий характер, - параметр ОУ еще не успел измениться из-за возмущающих факторов, а управляющее воздействие ХУ уже будет скорректировано, причем сразу на необходимую величину. Это значит, что регулятор
14
“по возмущению” теоретически может обеспечивать абсолютно точное значение параметра объекта, без малейших её колебаний. Но это возможно
только в том случае, если регулятор учитывает все возмущающие воздействия, что на практике выполнить затруднительно. Если обратиться к рассмотренному выше примеру автоматизации бульдозера, то при создании системы
регулирования на основе принципа “по возмущению” пришлось бы измерять
всевозможные возмущающие воздействия: изменяющуюся жесткость грунта,
неровности рельефа разрабатываемой площади, наклон машины, степень износа трансмиссии и отвала, количество налипшей на гусеницы глины и т.д. и
т.п. Таким образом, технически задача значительно усложняется: чем выше
требуемая точность управления, тем большее количество датчиков придется
предусматривать5, - вплоть до измерений веса бульдозериста, скорости ветра
и др. Поэтому регулирование “по возмущению” крайне редко используется
самостоятельно (за исключением случаев, когда возмущающих воздействий
мало и их легко измерить). Чаще такое регулирование используется как дополнительное, вспомогательное в регуляторах “по отклонению”. В этом случае измеряются лишь некоторые, наиболее влияющие на состояние ОУ возмущения. Такое комбинированное управление позволяет улучшить динамику
реакции регулятора, который не будет ожидать изменения параметра, а сразу
отреагирует на сильный возмущающий фактор. Например, в некоторых системах кондиционирования воздуха, обеспечивающих заданную температуру
в помещении и функционирующих на основе принципа регулирования “по
отклонению”, дополнительно устанавливаются т.н. солнечные датчики, дающие сигнал о наличии/отсутствии прямых солнечных лучей. При наличии
солнца в помещении, система на 2…3° снижает установленное значение температуры, за счет чего повышается комфортность, хотя и без такого датчика
система будет оставаться работоспособной.
Стабилизация водоцементного отношения
бетонной смеси
В качестве реального примера САР на основе принципа регулирования
“по возмущению” рассмотрим приведенную на рис. 1.6 схему стабилизации
водоцементного отношения (В/Ц) бетонной смеси в процессе ее приготовления на автоматизированном растворо-бетонном узле (РБУ) [13].
Необходимость в принудительных мерах по стабилизации В/Ц обусловлена непостоянством влажности мелкого заполнителя, используемого для
приготовления бетонной смеси. Этот фактор приводит к значительным колебаниям ее показателей качества, в частности, к изменению удобоукладываемости смеси и снижению класса бетона по прочности. В этом случае гаран-
5
Часто проблема заключается не столько в большом количестве различных датчиков, сколько в том, что
бывает очень трудно определить, какую величину измерять, в каких единицах, каким датчиком. Например,
каким образом измерять жесткость грунта и будет ли измеренная каким-то способом жесткость адекватна ее
воздействию на отвал бульдозера? Каким образом измерить потери мощности в трансмиссии машины ?
15
тированное значение прочности бетона достигается перерасходом цемента,
что отражается на стоимости изделий [1].
Система включает в себя в качестве составных элементов два других регулятора: стабилизатор загрузки бункера весового дозатора песка и стабилизатор загрузки бункера весового дозатора воды. Оба этих регулятора используют уже рассмотренный принцип регулирования “по отклонению”.
Рис. 1.6. Система стабилизации В/Ц бетонной смеси
ВДП – весовой дозатор песка; ВДВ – весовой дозатор воды;
БУП – блок управления приводом транспортера загрузки;
ИМ – исполнительный механизм привода запорного клапана;
РБП – расходный бункер песка;
1 – датчик влажности песка; 2,3 – датчики веса песка и воды;
4 – задатчик весовой порции воды по рецептуре;
5 – запорный клапан; 6 – задатчик весовой порции песка;
7 – двигатель привода транспортера;
16
Загрузка бункера весового дозатора песка (ВДП) производится ленточным транспортёром из накопительного расходного бункера. В процессе загрузки датчиком веса измеряется вес бункера РП, сигнал датчика [РП] вычитается из сигнала задатчика веса [PПЗ ]. Положительное значение сигнала разницы S является командой для блока управления приводом на включение двигателя транспортера; отрицательное и нулевое значение - на отключение.
Таким образом, загрузка ВДП будет происходить до тех пор, пока вес
песка в бункере не достигнет заданного значения. Аналогичным образом работает регулятор загрузки весового дозатора воды (ВДВ). Подача воды в
бункер ВДВ будет происходить до тех пор, пока сигнал датчика веса воды
[PВ] и задающий сигнал [PВК ] не сравняются. Надо заметить, что сигнал [PВК ]
не является постоянным, его величина зависит от количества воды, содержащейся в порции песка. И чем больше воды будет содержать в себе песок, тем
меньшее количество воды будет залито в ВДВ.
Параметром регулирования в системе является водоцементное отношение. Непостоянная влажность песка является возмущающим воздействием, а
управляющим воздействием, компенсирующим возмущение, - коррекция дозировки воды через ВДВ. Определение количества воды в песке производится следующим образом: датчик влажности песка, установленный в бункере
ВДП, вырабатывает сигнал [W], несущий информацию о фактической влажности песка, затем производится перемножение сигналов влажности и веса
песка, результат - сигнал [PВП ] несет информацию о количестве воды в данной
порции песка. В элементе вычитания А происходит формирование скорректированного сигнала дозировки воды [PВК ] , который и является задающим для
САР управляющей дозировкой воды в ВДВ.
Обратите внимание на то, что система регулирования подачи воды в
ВДВ, реализующая принцип регулирования “по отклонению”, является лишь
элементом (исполнительным устройством) в САР В/Ц. Это значит, что системы регулирования могут находиться в подчинении одна у другой, т.е. образовывать иерархические структуры, примером чего может служить рассматриваемая система.
Одним из сложных технических вопросов при реализации такой системы является оперативное, с необходимой точностью измерение влажности
песка. Чаще всего в качестве датчика влажности песка (и других сыпучих материалов) используется емкостный тип датчика. Применительно к рассматриваемому случаю его типовая конструкция приведена на рисунке 1.7.
Корпус бункера ВДП и измерительный зонд, точнее его открытая часть,
совместно образуют электрический конденсатор, межэлектродным материалом которого является песок. Открытая часть зонда располагается в нижней,
конической части бункера, где плотность песка максимальна и стабильна.
Верхняя же часть зонда покрыта толстым слоем изоляционного материала, за
счет чего верхний рыхлый слой песка “отодвинут” от электрода зонда и “не
участвует” в оценке влажности.
17
Емкость конденсатора С зависит от его размеров, но, главное, - от относительной диэлектрической проницаемости материала ε между электродами.
Для большинства сухих сыпучих строительных материалов ε = 4 - 8 единиц
(ε величина безразмерная).
Рис. 1.7. Конструкция емкостного датчика влажности песка
Для воды ε может достигать значения 81, из чего следует, что даже небольшое количество воды в материале резко увеличивает его относительную
диэлектрическую проницаемость. Измеряя емкость датчика, можно с достаточной точностью (погрешность составляет 1 - 1,5 %) судить о влажности
материала.
Рассмотренный вариант системы автоматического управления величиной В/Ц не является единственным. Решение той или иной технологической
задачи может быть выполнено на основе любого из двух принципов регулирования. Выбор его производится не произвольно, а путем анализа альтернативных вариантов создаваемой системы с учетом имеющихся технических
средств, надежности их работы в данных условиях применения, перспективы
расширения функций системы, а также с учетом возможных дестабилизирующих факторов. Теоретически задачу стабилизации В/Ц можно было бы
решить используя принцип регулирования «по отклонению». Для этого надо
было бы измерять В/Ц смеси непосредственно в смесителе и, в зависимости
от результата, производить добавку или отбор воды. Техническое решение
такой задачи сталкивается с рядом вопросов, главные из которых:
- каким образом измерять В/Ц еще не перемешанной бетонной смеси,
находящейся в смесителе?
- каким образом производить отбор воды из бетонной смеси, если В/Ц
превысит установленное значение ?
Альтернативной (и дополнительной) В/Ц механической характеристикой бетонной смеси служит ее удобоукладываемость (подвижность), которая
количественно может оцениваться по осадке конуса. Известен способ оценки
подвижности бетонной смеси, находящейся в смесителе, по затратам энергии
на ее перемешивание. Поскольку нагрузка на валу электродвигателя (лабораторная работа №1) определяет его потребление электрической энергии, то
этот факт позволяет использовать двигатель смесителя в качестве датчика
18
подвижности бетонной смеси: большей подвижности смеси соответствует (в
достаточно широком диапазоне значений В/Ц) меньшая мощность перемешивания.
Что касается второго вопроса, то его решение возможно путем заведомо
недостаточной дозировки воды, которая затем будет подаваться в смеситель
небольшими порциями, до достижения смесью заданной подвижности.
Стабилизация подвижности бетонной смеси
На рисунке 1.8 показана структура системы стабилизации подвижности
бетонной смеси. Функционирование системы происходит следующим образом. После загрузки смесителя начинается процесс перемешивания компонентов бетонной смеси. В процессе перемешивания измеряется мощность Q
тока, потребляемого двигателем.
Рис. 1.8. Система стабилизации подвижности бетонной смеси
1 – корпус смесителя; 2 – лопатки активатора;
3 – приемный (загрузочный) бункер;4 – двигатель смесителя;
5 – датчик проходящей мощности; 6 – клапан-дозатор воды;
7 - исполнительный механизм привода клапана;
8 – дифференциатор; 9 – задатчик подвижности (мощности)
Сигнал [Q] сравнивается в элементе «б» с сигналом задатчика [QЗ]. Если
[Q] > [QЗ], то появляется активное значение сигнала S1, которым включается
клапан-дозатор воды, и в бункер подается небольшая порция воды. Циклы
подачи воды повторяются до тех пор, пока сигналы [Q] и [QЗ] не сравняются.
Алгоритм работы реальной системы стабилизации несколько сложнее.
Дело в том, что бетонная смесь в начальной стадии перемешивания не является однородной, в результате чего двигатель, вращая активатор, испытывает
неравномерную нагрузку, среднее значение которой также не является постоянным (рис. 1.9). Необходимо дождаться момента, когда нагрузка двигателя стабилизируется, тогда можно будет производить измерение мощности
и добавлять воду в смеситель. Такими моментами могут быть либо t2, либо
19
временной отрезок после t3. И в том, и в другом случае производная сигнала
мощности по времени dQ/dt будет иметь значение близкое к нулю.
На схеме (рис. 1.8) операцию вычислении производной выполняет элемент 8, сравнение его сигнала с нулевым значением производится в элементе
«а». Активные значения сигналов S2 и S1 «разрешают» срабатывание ИМ, которым включается клапан-дозатор воды. В результате измерение подвижности бетонной смеси и подача воды в смеситель происходят только при достижении смесью однородного состояния. Наличие канала измерения производной мощности двигателя позволяет решить задачу сокращения времени
перемешивания бетонной смеси до минимально возможного при обеспечении показателя ее однородности6.
Рис. 1.9. Зависимость мощности побуждения бетонной смеси от времени
перемешивания: пунктирными линиями показано
среднее значение мощности; сплошной – мгновенное
Подобные системы стабилизации В/Ц бетонной смеси применяются в
современных бетонорастворных узлах с высоким уровнем автоматизации. В
настоящее время такого рода системы управления строятся исключительно
на основе программно - управляемых контрóллеров (control (англ.) – управлять) (см. раздел 1.3.2), объединенных локальной компьютерной сетью. При
этом, как правило, решается весь комплекс задач, связанных с автоматизацией бетонорастворного узла, в том числе и стабилизация В/Ц, и достижение
смесью однородного состояния при минимально необходимом времени ее
перемешивания.
Рассмотренные структурные схемы (см. рис. 1.2 и рис. 1.5) не следует
понимать буквально, как чертеж или схему конструкции регулятора. Любая
структурная схема является графической формой представления алгоритма
управления, который может быть реализован как аппаратно, так и программно. На структурных схемах показаны лишь основные действия (преобразова6
Известны и другие технические решения указанной задачи, в частности (разработка НИПТИС), - на основе
измерения акустических шумов, создаваемых бетонной смесью в смесителе. По мере приближения смеси к
однородному состоянию изменяются спектральные характеристики шума.
20
ния), принципиально необходимые для достижения поставленной цели
управления.
На основе структурной схемы при проектировании САР строится функциональная схема, в которой подробно, например, в виде уравнений, представляются функции составляющих её элементов, что позволяет произвести
расчет качества процесса регулирования: точность, быстродействие, степень
устойчивости и др. Но это не значит, что структурная схема является необязательным иллюстративным материалом. Она позволяет произвести, как в
рассмотренном выше примере с бульдозером, предварительный анализ поведения разрабатываемой системы.
Типы задач систем автоматического управления
Автоматические системы управления могут не только обеспечивать постоянные значения параметров какого-либо процесса, как в рассмотренных
выше примерах. Стабилизация параметров может рассматриваться как самый
простой тип задачи управления. Автоматы способны успешно решать и более
сложные задачи.
Существуют так называемые системы программного регулирования, задачей которых является обеспечение изменения параметра по определенному
закону (программе) как функции значений другого независимого параметра.
Часто в роли такого независимого параметра выступает время. В лабораторной работе № 7 рассматривается программный регулятор температуры в камерах ускоренного твердения железобетонных изделий, обеспечивающий
плавный (с нормированной скоростью) набор температуры, изотермическое
выдерживание изделий в течение нескольких часов и постепенное снижение
температуры в камере обработки.
Другой тип задачи управления - экстремальное управление. В этом случае регулятор обеспечивает максимальное (или минимальное) значение параметра. При этом само значение параметра системе не задается, так как, вопервых, оно неизвестно, а во-вторых, его величина может меняться. Регулятор самостоятельно определяет это значение и в дальнейшем отслеживает и
поддерживает его. Как задачу экстремального управления, применительно к
рассмотренному выше примеру автоматизированного бульдозера в качестве
цели управления можно сформулировать следующее: при обеспечении заданной мощности двигателя Q обеспечить такой режим его нагрузки – скорость вращения n и момент на валу M, при котором будет обеспечиваться
максимальный КПД. Система самостоятельно подберёт такое соотношение n
и M, при котором Q = Qз, а КПД двигателя будет максимально возможным.
Разумеется, по мере износа двигателя максимум КПД будет снижаться, но
всегда будет оставаться максимально возможным при текущих условиях. Основа алгоритма поиска экстремума системой следующая: регулятор самостоятельно дает небольшие приращения (положительные и отрицательные)
21
∆n и ∆M, при этом измеряет соответствующее изменение КПД. Если при любом приращении n и М КПД уменьшается, значит, максимум найден.
Элементы экстремального регулирования содержит и система представленная на рис. 1.8. Пиковое значение мощности, соответствующее моменту
времени Т2, система определяет самостоятельно, не «зная» заранее его значения.
Система оптимального управления, в отличие от рассмотренных, принимает во внимание не один, а несколько взаимозависимых параметров. Её
задачей является достижение и поддержание так называемых оптимальных
значений параметров. Формализация понятия оптимальности может быть
выполнена посредством введения целевой функции, которая объединяет в себе регулируемые параметры с учетом их степени приоритета. В этом случае
оптимум достигается при обеспечении её максимума (минимума). Главная
трудность при создании такой системы совсем не технического характера:
сформировать целевую функцию, количественно описывающую степень приоритета каждого параметра среди других.
Рассмотрим процесс тепловой обработки железобетонных изделий в камере ускоренного твердения. Чем выше температура используемого теплоносителя (пара), тем он дороже и дороже оборудование камеры, но короче время обработки. С одной стороны, желательно сократить время обработки, с
другой – снизить стоимость оборудования и теплоносителя, причем обе эти
цели взаимоисключающие. Совместить эти цели можно, только сумев выразить один параметр (стоимость) через другой (время). Очевидно, что не существует какого-либо универсального способа взаимного пересчета физически различных параметров, в силу чего решение конкретных, частных задач
оптимального управления выходит за рамки технической автоматики и
больше попадает в сферу рассмотрения технологии и экономики. Если же
целевая функция, связывающая различные параметры сформирована, то задача оптимального управления сводится к задаче экстремального (однопараметрового) управления.
Задача управления объектом значительно усложняется, если в процессе
функционирования системы управления происходят изменения характеристик объекта управления, например, изменяется степень влияния на параметры объекта управляющих и возмущающих воздействий. Это может привести
не только к потере системой управления точности и быстродействия, но даже
к потере устойчивости и к полной потере работоспособности. К примеру, при
управлении автомобилем на большой скорости или на скользкой дороге повороты необходимо совершать более осторожно, поворачивая рулевое колесо
медленнее и на меньший угол, чем на малой скорости движения, иначе можно потерять управляемость: автомобиль «пойдет юзом».
В этом случае возникает необходимость в адаптации (adaptio (лат.) –
приспособление) системы к объекту управления, т. е. в соответствующих изменениях характеристик элементов управляющей системы, при которых она
сохранит способность управлять. Речь идет о системах управления, получивших название адаптивных.
22
Структура адаптивной системы управления состоит, по крайней мере, из
двух контуров – основного, реализующего один из классических принципов
управления объектом, и контура адаптации. Задачей системы, образующей
контур адаптации, является отслеживание состояния объекта управления и
показателей «качества управления» системы первого контура и формирование воздействий на характеристики элементов, образующих первый контур с
целью достижения необходимых значений этих показателей качества. Разумеется, контур адаптации также может быть реализован на основе рассмотренных принципов регулирования: «по отклонению» и «по возмущению».
Чрезвычайно широкие возможности для практики автоматизации открывает компьютеризация систем управления. Реализация сложных управляющих алгоритмов в виде программ для управляющего компьютера значительно упрощает конструктивно и удешевляет построение сложных (по своему поведению) систем управления. А это позволяет ставить и, разумеется,
решать задачи управления производственными процессами, требующие от
системы управления бóльшего “интеллекта”, чем традиционно считалось
достижимым до недавнего времени.
Вопросы для самоконтроля:
1. Что есть объект управления, чем он характеризуется?
2. К каким величинам (по отношению к объекту управления) относятся
возмущающие воздействия – входным или выходным ?
3. В чем заключаются различия между возмущающими и управляющими
воздействиями ?
4. Что понимается под термином «обратная связь» в системе управления ?
5. Что понимается под неустойчивостью системы регулирования, в чем
основная причина ее возникновения ?
6. В чем заключаются различия между двумя принципами регулирования
- «по отклонению» и «по возмущению» ?
7. Почему регулирование «по возмущению» используется значительно
реже, чем «по отклонению» ?
8. Что является параметром регулирования и какие возмущающие воздействия присутствуют в системе стабилизации В/Ц показанной на рис. 1.6 ?
9. Что является параметром регулирования и какие возмущающие воздействия присутствуют в системе на рис. 1.8 ?
10.
Что есть телемеханика ?
23