1.2 Способы управления технологическими объектами

Любое управление строится на основе информации о состоянии объекта управления и сопоставления информации с целью управления и формирования по результатам этого сопоставления соответствующего управляющего воздействия. Все эти задачи решаются управляющим устройством, в качестве которого в системах управления все чаще используются средства вычислительной техники (СВТ). К ним относятся микропроцессоры, микроконтроллеры и персональные компьютеры.

Использование средств вычислительной техники в управлении технологическими процессами дает возможность:

компенсировать программным путем недостатки датчиков (нелинейность характеристики, наличие зоны нечувствительности и сдвига нуля);

вычислять значение выходных управляющих параметров технологического процесса по математической модели при отсутствии необходимых датчиков;

рассчитывать в автоматическом режиме оптимальную структуру и параметры отладки цифровых регуляторов при изменении динамических параметров объекта управления;

реализовывать совершенные алгоритмы управления, которые могут перестраиваться программным путем при изменении динамики объекта, технологии производства, ситуации в ходе технологического процесса;

учитывать при управлении не только текущее состояние объекта, но и его предысторию.

Управление технологическими  объектами с   использованием СВТ можно осуществлять тремя способами:

управление в режиме советника;

супервизорное управление;

непосредственное цифровое управление.

На рис. 1.6 приведена схема системы управления с использованием СВТ в режиме советника.

 

Информация о состоянии объекта управления снимается  с  датчиков,   обрабатывается   и  в  удобной форме предоставляется оператору (О). Характерная особенность такого режима - формирование влияния на объект управления оператором через исполнительные органы системы.

В режиме супервизорного управления выполняется автоматическая коррекция установок локальных регуляторов с помощью постоянного подключения выводов управляющего устройства через устройство связи с объектом до установок локальных аналоговых регуляторов. В этом случае СВТ работают в замкнутом контуре второго уровня управления и используются для решения задач статической оптимизации технологических объектов управления.

При непосредственном цифровом управлении предполагается выполнение следующих операций:

определение в СВТ ошибки несогласования между задающим воздействием и полученным значением;

опрос датчиков в дискретные моменты времени, превращение информации в цифровой код и введение в запоминающее устройство средств вычислительной техники;

формирование управляющего воздействия  с помощью алгоритма управления;

преобразование цифрового сигнала в аналоговый управляющий и  выдача  его на  исполнительный механизм (орган).

Схема системы управления в режиме непосредственного цифрового управления (НЦУ) представлена на рис. 1.7.

 

Информационная связь между системой управления и ОУ осуществляется с помощью датчиков и исполнительных органов. Отличительной особенностью работы СВТ в режиме непосредственного цифрового управления  является  наличие   предельно допустимой задержки   между  моментами  введения    информации, обработки и выдачи управляющего воздействия.

При реализации контуров НЦУ применяются синхронный и асинхронный принципы связи управляющих СВТ с объектом. При синхронном обмене процесс управления разбивается тактовыми импульсами на такты, за это время осуществляются снятие данных с ОУ, их обработка и выдача управляющего воздействия. При асинхронном обмене в СВТ поступают импульсы от датчиков прерывания, при этом на некоторое время прерывается выполнение основной программы, запоминается промежуточная информация и выполняется подпрограмма по сигналу прерывания. После этого осуществляется возвращение к прерванной программе.

Таким образом, необходимо решать такие задачи:

Анализ ОУ и разработка математической модели.

Определение структуры системы управления.

Проектирование алгоритма управления.

Выбор оптимального периода опроса датчиков и выдачи управляющего воздействия.

Выбор типа СВТ и разработка системы для реализации заданных алгоритмов, включая выполнение требований к устройствам связи с объектом.

Реализация программного обеспечения.

Структура типичного контура НЦУ, который реализуется на базе СВТ, представлена на рис. 1.8. СВТ выполняют функции задающего, сравнивающего и управляющего устройств.

 

 

Исходная регулируемая  величина y(t) в  дискретные моменты времени  поступает через коммутатор  на аналого-цифровой преобразователь. С помощью коммутатора аналоговых сигналов осуществляется квантование непрерывного сигнала с периодом квантования Т0, в результате чего координата y(t) превращается в решетчатую функцию y[nТ0]. На каждом периоде квантования в сравнивающем устройстве определяется ошибка регулирования:

e [n0]=G[n0]-y[n0],                                                                   (1.1)

где G[n0] - влияние, которое задается цифровым регулятором.

Вычислительное устройство (ВУ) на основании алгоритма НЦУ формирует управляющее воздействие u[n0] в виде цифрового кода, который через коммутатор  в каждый период квантования подключается ко входу цифро-аналогового преобразователя. С помощью ЦАП осуществляется преобразование последовательности значений u[n0] в непрерывный сигнал u(t), который остается постоянным на протяжении следующего периода квантования nT0 до появления следующего члена последовательности u[(n+1)T0]  ( рис. 1.9).

СВТ в мультипрограммном режиме обслуживают  поочередно каждый контур НЦУ, определяют управляющее воздействие Ui(n0), где i = 1,2,…, Р - номер цифрового регулятора. С помощью регистров цифро-аналоговых преобразователей выполняется запоминание управляющего воздействия в каждом контуре НЦУ за весь период квантования T0i. Вычислительное устройство, с помощью которого реализуется цифровой регулятор, работает в реальном масштабе времени. Коммутатор  выполняет функции импульсного модулятора, прохождение сигнала через который связано с потерей части информации, которая находится в нем, так как в промежутках между импульсами U(n0) характер изменения управляющего воздействия U остается неизвестным.

Задача оптимального выбора периода квантования относится к одной из основных проблем оптимального расходования машинного времени, затраченного на каждый контур НЦУ. При уменьшении Т0 увеличиваются точность регулирования и загрузка СВТ, но неэкономно тратится  машинное время. При большом Т0 ухудшается качество регулирования системы, поэтому возникает проблема поиска компромиссного решения, которое удовлетворяет  необходимым требованиям.

Таким образом, выбор Т0 сводится к нахождению зависимости точности управления от величины периода квантования управляющего воздействия u[n0] и управляющей переменной y[n0].