Теория автоматического управления

Существует ряд алгоритмов, решающих эту задачу. Для обеспечения управления приводами подач с высокой скоростью применяют метод покодовой интерполяции, при котором выдаваемая на управление информация содержит приращение по координатам за некоторое время . На высоких скоростях эти приращения существенно больше величины дискреты, однако информация поступает с частотой, намного превышающей пропускную способность привода.

Можно выделить два способа реализации алгоритмов покодовой интерполяции: непосредственный с расчетом приращений по исходным формулам и косвенный, согласно которому приращения получаются в результате приведения исходных формул к определенному виду.

Примером косвенного способа является реализация алгоритмов покодовой интерполяции с использованием метода оценочной функции с переменным шагом и представлением данных в разрядности слова процессора. Эти алгоритмы могут быть использованы не только в процессе интерполяции, но и при расчете эквидистанты, скорости перемещения по координатам и при других расчетах, требуемых для получения геометрической информации.

Алгоритмы реализуют следующую функцию для линейной интерполяции:

,

где хК и уК - координаты конечной точки интерполируемого отрезка прямой; и - приращения координат за время (рис. 2.1, а). Для круговой интерполяции по часовой стрелке

и

- соответственно в первой и второй половинах первого квадранта; здесь х 0 и у 0 - координаты точки дуги окружности, от которой рассчитываются очередные приращения по координатам (рис. 2.1, б). Следует отметить, что до обращения к алгоритму определяется перемещение по ведущей оси ( или ) в зависимости от заданной скорости и времени , а окончание отработки перемещений в заданном кадре контролируется вне алгоритма.

Рис. 6.9 Линейная (а) и круговая (б) покодовая интерполяция и алгоритм (в) покодовой круговой интерполяции в первом полуквадранте

Во вотором полуквадранте изменяется содержимое блока 10

; ; ;

блока 12

; ;

блока 13

;;

Алгоритм линейной интерполяции реализует зависимость

;

в нем использована оценочная функция вида

,

где Hi - шаг интерполяции в i-м цикле; xi, yi - координаты текущей точки в i - м цикле.

Алгоритм работает следующим образом. По заданному (остаток перемещения по оси Х; при i = 0 ) выбирается такой шаг Hi, чтобы выполнялось условие . Далее делается шаг по оси Х величиной Hi, рассчитывается значение

и анализируется Fi . Если , то делается шаг Hi в положительном направлении оси Y, а если , то шаг в отрицательном направлении, и рассчитываются значения

в первом случае и

во втором случае.

Шаги Hi по оси Y делаются до тех пор, пока выполняется условие Fi < 0.. Если оно не выполняется, т. е. , то происходит переход к следующему циклу, для которого рассчитывается

и .

При , и процесс прекращается.

В начале отработки алгоритма Fi = 0. Промежуточная точка траектории, определяемая приращениями и , в общем случае не лежит на прямой, заданной координатами и , поэтому конечное значение . Во избежание накопления ошибки при последовательных вычислениях значений , запоминается конечная величина Fi, полученная в предыдущем цикле вычислений, и добавляется к текущему значению Fi следующего вычисления.

Величина начального шага выбирается исходя из характеристик привода.

Аналогично работает алгоритм при круговой интерполяции.

В первом полуквадранте решается уравнение вида

по оценочной функции

.

Ведущей координатой является Y. Во втором полуквадранте решается уравнение вида

и ведущей является координата X. При этом изменяется содержание трех блоков алгоритма по рис. 2.1.

Порядок работы блоков следующий. В блоке 2 исходные данные , ,, , и вводятся в рабочие ячейки. Начальный шаг Hi выбирается в блоках 3, 4 и 5. На этом работа вспомогательной части алгоритма заканчивается, и происходит переход к основной части, причем в ячейке W сохраняется значение

.

7. Автоматизированные системы управления технологическими процессами

7.1 Основные положения

На современном этапе развития АСУ выбор наиболее целесообразных режимов работы объекта управления осуществляется на управляющих вычислительных машинах (УВМ). В таких АСУ роль человека заключается в определении цели управления (критерия управления) и программы работы УВМ, обеспечивающей достижение этой цели, или, как говорят, алгоритма управления процессом. Функциональная схема АСУ ТП с применением УВМ показана на рис. 7.1. Объект управления оснащен автоматической контрольно-измерительной аппаратурой 2, измеряющей: вектор входных (управляющих) величин У (у 1, у 2,... уп), где yi например, - расходы топлива и сырья, химический состав и физические свойства и т. д.; вектор величин, характеризующих состояние агрегата и процесса,: v (v1, v2,…vn), где vi, например, - температура рабочего пространства печи, рекуператоров, продуктов сгорания, греющегося металла и т. д.; вектор величин, характеризующих выходные (управляемые) величины процесса х (xl x2,…хп), где xi, например, --температура и состав металла и шлака на выпуске из печей, темп выдачи металла из нагревательных печей и др.; вектор величин, характеризующих контролируемые возмущения z (z1, z2, ... zn)r где zi, например, - изменение теплотворной способности топлива, его давления перед горелками и др.

Рис. 7.1 Функциональная схема АСУТП с применением УВМ

Эта информация преобразуется устройствами 3 в сигналы, удобные для передачи по линии связи 4, и затем поступает в устройство 5, преобразующее аналоговые сигналы в цифровой код (АЦП), и вводится в УВМ 6. В современных УВМ часть информации может быть введена в аналоговой форме. Кроме сигналов, полученных от автоматических контрольно - измерительных приборов, в УВМ с помощью устройств ручного ввода 7 вводятся необходимая дополнительная информация, а также корректирующие воздействия от УВМ высшего уровня 8, например от АСУП.

Программа работы УВМ 6 создается на основе алгоритма 9, в котором учтены как цель управления, так и ограничения, налагаемые на параметры процесса и управляющие воздействия. УВМ вырабатывает управления u (u1, u2, ..., un), которые при децентрализованном управлении поступают через преобразователи цифра-аналог (ЦАП) 10 на задатчики локальных автоматических регуляторов (вектор задающих воздействий х 0) 11 и устройства защиты от аварийных ситуаций и блокировок 12. Локальные регуляторы 11 и защитные устройства 12 через исполнительные и регулирующие органы 13 вводят управляющие воздействия в объект автоматического управления 1. Информация о состоянии объекта управления выводится на дисплей и печать 14. На схеме рис. 7.1 исполнительные механизмы и регулирующие органы выделены в самостоятельный элемент.

В рассмотренной децентрализованной системе управления локальные АСР являются как бы выходными устройствами всей АСУТП. Вектор задания регуляторам х 0 вырабатывается УВМ на основании информации от измерительных приборов 2 о значениях входных величин у, величин, характеризующих состояние объекта у, контролируемых возмущений г, управляемых величина по алгоритму управления. Участие человека состоит в разработке указанного алгоритма, обеспечивающего достижение целей управления, например получения оптимальных значений управляемых величин.

При централизованном управлении УВМ непосредственно управляет исполнительными и регулирующими устройствами 13 (пунктирная линия на рис. 7.1) без использования локальных САР.

В любой системе управления есть ограничения, обусловленные разными причинами: жесткость механического модуля технологического агрегата (определяет максимально допустимые резания); технологией производства (максимально допустимыми параметрами режимов обработки); ресурсами управления (максимально возможные мощность или усилие); скоростью изменения управляющих воздействий и т.п.

Говоря об оптимальности условий работы объекта, необходимо установить, в каком смысле рассматривается оптимальность процесса (минимальная себестоимость, максимальная производительность, максимальная точность). Критерий управления при оптимальном управлении должен достигать своего экстремального значения. Учитывая сказанное, можно сформулировать определение оптимального управления: оптимальным в определенном (заданном) смысле управлением называется динамический процесс, целесообразно использующий ресурсы системы для достижения при данных ограничениях экстремума критерия управления. Если бы условия работы объекта управления не изменялись, то можно было бы раз и навсегда выбрать оптимальный режим работы, и тогда отпала бы необходимость управлять такими объектами. Однако в практических условиях воздействие возмущений, часто имеющих неопределенный случайный характер, нарушает оптимальное течение процесса, и система управления принимает меры для восстановления оптимальных условий работы объекта.

Так как АСУТП (рис. 7.1.), кроме классификационных признаков САУ и САР, отличаются также структурой, методами построения алгоритмов управления и способами представления и передачи информации, то целесообразно рассмотреть отдельно классификацию АСУТП. Естественно, что классификация по методу управления, приведенная в табл. 1.1, практически совпадает с традиционной классификацией САУ.

Классификации систем автоматического управления и регулирования, приведенные выше, свидетельствуют о большом разнообразии методов и средств, используемых для этой цели. Правильный выбор принципов, алгоритмов управления и средств для их реализации во многом определяет эффективность и надежность АСУ. Особенно важно решать эти вопросы для печей и технологических процессов черной металлургии в связи с особой сложностью металлургического производства.

Таблица 7.1 Классификация АСУТП

7.2 Классификация автоматизированных систем автоматического управления

7.2.1 ЭВМ в режиме сбора и обработки данных

Возрастание требований к качеству функционирования технологических процессов, их усложнение привело к необходимости создания автоматизированных систем управления (АСУ). Основной алгоритм управления возможен на ЭВМ. Первые автоматизированные системы решали задачи автоматизации, контроля и сбора данных с реальных технологических систем. Применение ЭВМ в этих системах не исключает человека из сферы управления, не исключает применение локальных регуляторов автоматического контроля. Выбор уровня автоматики функций управления связан с обеспечением экономической эффективности и технической реализуемости. АСУ кроме функций централизованного контроля выполняет функции:

- оптимизации технологических параметров в смысле заданного критерия;

- расчета и реализации управляющих воздействий;

- восстановления математических моделей технологического процесса, при изменении условий функционирования;

- расчет и регистрация обобщенных технологических параметров и экономических показателей.

В зависимости от способа включения ЭВМ в контур управления можно выделить 5 структур:

- ЭВМ в режиме сбора и обработки данных;

- ЭВМ в режиме советчика;

- ЭВМ в супервизорном режиме;

- ЭВМ в режиме непосредственного цифрового управления;

- Иерархические СУ.

Рис. 7.2 Структура АСУТП с ЭВМ в режиме сбора и обработки данных

И - система отображения информации; СУИМ- средства управления исполнительными механизмами; УСО - устройство сопряжения с объектом;

ИМ - исполнительные механизмы; ТП - технологический процесс

Данная система обеспечивает оперативный сбор информации о ходе протекания тех. процесса, осуществляет сравнение контролируемых параметров с граничными значениями, обеспечивает вычисление некоторых косвенных критериев: (себестоимость и т.д.), допускает прогнозирование параметров процесса. За оператором остается главная функция управления. Одна из главных функций:

1) принятие решений об изменении управляющих воздействий;

2) производит расчет управляющих воздействий и формирует их.

Такие системы используются в тех случаях, когда нет достаточно точного математического описания процесса, нет четкого сформулированного критерия управления. Управление базируется на опыте оператора, его знании процесса и интуиции.

7.2.2 ЭВМ в режиме советчика

Структура системы та же самая. В этом случае СУ кроме отмеченных выше функций производит расчет управляющих воздействий и выдает их оператору в виде рекомендаций. Оператор имеет возможность путем изменения различных ограничений, критериев и т.д. промоделировать различные ситуации. В этом случае за ним всегда остается одна из главных функций управления принятия решения. Такие СУ используются в тех случаях, когда существует математическое описание технологического процесса адекватное ему в ограниченной области условий функционирования, когда

7.2.3 ЭВМ в супервизорном режиме

В этом случае СУ представляет собой двух уровневую структуру. На низшим первом уровне используются локальные регуляторы, обеспечивающие управление конкретными параметрами процесса.

На верхнем уровне с помощью ЭВМ решаются задачи:

- сбора и обработки информации о ходе протекания ТП;

- расчет на основании заданных критериев управления управляющих воз действий, их формирование и выдача в виде настроек на локальные регуляторы РОi . В этом случае за оператором остаются функции:

- наблюдение за ходом ТП;

- корректировка при необходимости критериев управления;

- обслуживание возможных нештатных ситуаций.

Рис. 7.3 Структура АСУТП с ЭВМ в режиме супервизорного управления

7.2.4 ЭВМ в режиме непосредственного цифрового управления

В отличие от супервизорного управления управляющие воздействия, сформированные с помощью ЭВМ, передаются непосредственно на исполнительные органы объектов ТП.

Рис. 7.4. Структура АСУТП с ЭВМ в режиме непосредственного цифрового управления.

7.2.5 Иерархические СУ

Представляют собой многоуровневые системы, состоящие из отдельных систем между которыми установлены отношения соподчинения. Каждая подсистема имеет свою ЭВМ, которая работает в одном из выше перечисленных режимах. Функции управления разделяются между ними, в соответствии с заданной иерархией задач управления. Например, низший уровень обеспечивает управление отдельными параметрами, второй уровень обеспечивает синхронизацию работы исполнительных механизмов и оптимизацию некоторых частных критериев, третий уровень решает задачи оптимизации всей системы, расчет обобщенного критерия.

Рис. 7.5 Иерархическая структура АСУТП

Библиографический список

1. Баранчук Е.И. Взаимосвязанные и многоконтурные регулируемые системы. - Л.: Энергия. 1968. - 268 с.

2. Буравлев А.Н., Доценко Б.И., Казаков Н.Е. Управление техническим состоянием динамических систем. М.: Машиностроение, 1995.-240с.

3. Вершинин О.Е. Применение микропроцессоров для автоматизации технологических процессов. - Л.: Энергоатомиздат, 1986. - 208 с.

4. Вальков В.М. Контроль в ГАП. Л.:Машиностроение, Лен.отд., 1986. - 232с.

5. Зельдин Е.А. Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1986. - 280с.

6. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. - М.: Наука. 1978. - 576 с.

7. Калабеков Б.А. Микpопpоцессоpы и их пpименение в системах пеpедачи и обpаботки сигналов. - М.: Радио и связь, 1989. - 234 с.

8. Комплексная автоматизация производства Волчкевич Л.И. и др. - М.: Машиностроение, 1983. - 270 с.

9. Костенко Ю.Т., Любчик Л.М. Системы управления с динамическими моделями. - Харьков: Основа, 1996. - 212 с.

10. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. - М.: Наука. 1974. - 832 с.

11. Крагельский И.В., Гитис Н.В. Фрикционные колебания. Наука, 1987. - 120 с.

12. Д. Кумабэ Вибрационное резание. - М.: Машиностроение. 1985. - 424 с.

13. Комплект БИС 1804 в процессорах и контроллерах. / Под ред. В.В. Смолова. - М.: Радио и связь. - 1990. - 133 с.

14. Локтева С.Е. Станки с программным управлением и промышленные роботы. - М.: Машиностроение, 1987. - 320 с.

15. Маркова Т.Н. Идентификация линейных динамических систем в задачах стохастического оптимального квадратичного управления. - Тула: ТулГУ, 2000. - 142 с.

16. Микропроцессоры и микро-ЭВМ в системах автоматического управления: Справочник / С.Т. Хвощ, Н.Н. Варлинский, Е.А. Попов: Под общ. ред. С.Т. Хвоща. - Л.: Машиностроение, 1987. - 640 с.

17. Микpопpоцессоpы и микропроцессорные комплекты интегpальных микpосхем.1 т., 2 т., Авеpьянов Н.Н. и дp. Под pед. Шахнова В.А. - М.: Радио и связь, 1988.

18. Михайлов О.П. Автоматизированный электропривод станков и промышленных роботов: Учебник для вузов. - М.: Машиностроение, 1990. - 324 с.

19. Небылов А.В. Гарантирование точности управления. - М.: Наука,1998. - 304 с.

20. Нахапетян Е.Г. Диагностирование оборудования гибкого автоматизированного производства. - М.: Наука, 1985. - 225 с.

21. Орликов М.Л. Динамика станков. - 2-е изд., переб. и доп. - К.: Выща шк Головное изд-во, 1989 - 342 с.

22. Основы автоматизации управления производством. Под. ред. И.М. Макарова. - М.: Высшая школа, 1983. - 504 с.

23. Программное управление оборудованием. Мясников В.А. Игнатьев М.Б., Покровский А.М. - Л.: Машиностроение, Лен. отд., 1984. - 427 с.

24. Программное управление станками и промышленными роботами. В.Л. Косовский, Ю.Г. Козырев и др. - М.: Высш. шк. 1986. - 287 с.

25. Подураев В.Н. Технология физико-химических методов обработки. - М.: Машиностроение. 1985. - 264 с.

26. Ратмиров В.А. Управление станками гибких производственных систем. - М.: Машиностроение, 1986. - 176 с.

27. Роботизированые технологические комплексы и гибкие производственные системы в машиностроении. Альбом схем и чертежей. / Под ред. Ю.М. Соломенцева. - М.: Машиностроение, 1989. - 270 с.

28. Сосонкин В.Л. Программное управление технологическим оборудованием: Учебник для вузов по специальности "Автоматизация технологических процессов и производств ". - М.: Машиностроение, 1991. - 512 с.

29. Сосонкин В.Л. Микропроцессорные системы числового программного управления. - М.: Машиностроение, 1985. - 288 с.

30. Станки с программным управлением: Справочник. - М., 1981. - 200 с.

31. Теория автоматического управления /Под общ. ред. А.В. Нетушела. - М.: Высш. шк., 1968. - 424 с.

32. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. - М.: Наука. 1972. - 736 с.

33. Фельдбаум А.А., Бутковский А.Г. Методы теории автоматического управления. - М.: Наука. 1971. - 744 с.

34. Федорков Б.Г., Телец В.А., Дегтяренко В.П. Микроэлектронные цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи. - М.: Радио и связь, 1984. - 282 с.

35. Шарин Ю.С., Якимович Б,А, Тулаев Ю,И. Проектирование элементов и систем автоматизированного производства. - М.: Машиностроение. - 1995. - 112с.:ил.

Размещено на Allbest.ru