Понятие системы автоматического управления

Автоматизация производственных процессов неразрывно связана с такими понятиями как «система автоматического управления» или «система автоматического регулирования». Поэтому прежде всего следует дать определение понятия системы.

Под системой в широком смысле обычно понимают совокупность различных элементов, тем или иным образом связанных между собой и рассматриваемых как связное целое. Другими словами, система - это некоторый объект, обладающий целостностью или рассматриваемый как целое. Объект этот может быть материальным, но может быть также идеальным, абстрактным. В качестве самой большой системы можно рассматривать окружающий нас мир, а в качестве малой - атом вещества. Каждую систему можно рассматривать как состоящую из частей или подсистем различной сложности. В свою очередь, каждая из них состоит из подсистем разного порядка. Другими словами, можно сказать, что любой элемент материальной системы также представляет собой систему, состоящую из еще меньших элементов.

Обычно в понятие системы включают также наличие связей или отношений между ее элементами. Здесь имеется в виду, что подсистемы разных порядков и разной сложности постоянно взаимодействуют между, собой, влияют одна на другую и сами при этом изменяются.

Представление того или иного объединения элементов в качестве системы определяется целью исследования и является в какой-то мере условным. Одна и та же система может рассматриваться с разных точек зрения. Например, для пассажира автомобиль является средством передвижения, а для водителя-профессионала - объектом управления.

Вопрос о целостности системы тесно переплетается с вопросом об ее изменчивости. С одной стороны, абсолютно неизменная система была бы вообще недоступна наблюдению, ибо она не взаимодействовала бы с системами других порядков и не давала бы ответов на воздействия исследователя. С другой стороны, всегда приходится решать, в какой степени изменяющаяся система остается сама собой. По-видимому, можно считать, что система сохраняет целостность до тех пор, пока связи между ее элементами (подсистемами) — в каком-то смысле сильнее, теснее, чем их связи с окружающей средой, с системой более высокого порядка или большей сложности. Как только внутренние связи данного образования ослабнут, оно перестанет существовать как нечто целое, распадется на отдельные части. Таким образом, любая система обладает определенной организованностью, то есть наличием той или иной структуры.

Всякая реальная система претерпевает изменения, переходит из одного состояния в другое. При этом система взаимодействует со средой, в результате чего в пространстве и времени происходит передача вещества, энергии и информации. Изменения системы могут протекать в двух крайних и противоположных друг другу формах, имеются в виду деградация (или переход в менее упорядоченное состояние) и развитие (переход в более упорядоченное состояние). Возможно и временное равновесие между системой и средой, благодаря которому система в течение известного времени либо остается относительно неизменной, либо испытывает лишь обратимые изменения, не нарушающие ее целостности и структуры.

Изменчивость системы связана с понятием о ее состоянии, под которым понимают множество фиксированных в данный момент значений параметров, характеризующих систему. В качестве таковых могут выступать любые характеристики системы, интересующие исследователя и поддающиеся измерению или наблюдению, в том числе внешние воздействия на систему, ее реакции, то есть воздействия на окружающую среду (другие системы).

Изменяющаяся во времени последовательность состояний системы определяет ее поведение. Системы, при изучении которых можно пренебречь их изменениями во времени, называютсястатическими системами; те же; состояние которых изменяется во времени, называютсядинамическими системами.

Любая система функционирует при постоянном взаимодействии составляющих ее элементов. Одним из частных случаев такого взаимодействия является ситуация, при которой одна из частей системы управляет другой.

Взаимодействие, при котором одна часть системы в соответствии с той или иной целью определяет характер, направление и темп изменения другой ее части (поведение), называют управлением, а систему в целом системой управления. При этом не играет роли природа системы - техническая, биологическая, социальная, экономическая или какая-либо другая.

С управлением мы встречаемся практически везде. Правительство управляет государством, дирекция - фабрикой или заводом, мозг управляет деятельностью и поведением человека, водитель - автомобилем, терморегулятор - работой холодильника и т. п. Все это системы управления.

Любая система управления обладает целостностью (организованностью), поэтому целью управления является противодействие необратимым изменениям системы, то есть сохранение организованности или ее направленное прогрессивное развитие.

Воздействия среды на систему и системы на окружающую среду могут иметь самую различную природу. Они могут быть связаны с переносом вещества, энергии, информации или иметь какую-либо иную природу. Эти воздействия могут быть строго определенными, то естьдетерминированными, а могут иметь и случайный, то естьвероятностный характер.

Таким образом, и система управления не является замкнутой, изолированной от окружающей среды, она постоянно находится под ее воздействием. Воздействия на систему со стороны окружающей среды или других систем, не являющихся частью данной системы, называютвнешними воздействиями. Воздействия же на систему, исходящие из подсистем или элементов данной системы, называют внутренними.

Как внешние, так и внутренние воздействия на систему, называемые обычно возмущающими воздействиями или просто возмущениями, стремятся нарушить организованность и нормальное функционирование системы управления. Управление же препятствует нежелательному изменению поведения системы, устраняя тем или иным образом результаты воздействия возмущений на систему.

Процессы управления протекают во времени и пространстве, поэтому они относятся к классу динамических систем и характеризуются изменением режима работы и уровня организованности и стабильности функционирования под воздействием окружающей среды и в зависимости от цели управления.

Любая система управления состоит по крайней мере из двух частей или подсистем:управляемой и управляющей.

Управляемая часть - это объект управления, то есть то, что находится под воздействием управляющей части. Это - те же государство, отрасль народного хозяйства, фабрика или завод, человеческий организм, автомобиль, холодильник и т.п.

Управляющая часть — это орган управления, то есть то, что управляет объектом, его целенаправленным поведением. Это - правительство, министерство, дирекция, водитель, мозг человека, терморегулятор и т.п.

Системы управления являются информационными системами, так как для управления необходимы сведения, информация о состоянии управляемого объекта и цели управления. Именно на основе информации орган управления (управляющая часть) воздействует на объект, то есть оказывает управляющее воздействие. Рассматривая, например, какой-либо производственный процесс с материально-вещественной стороны, выходной величиной, или выходом процесса, считают готовую продукцию.

Рассматривая же управление производством как информационный процесс, под выходом понимают не материальный поток выпускаемой продукции, а информацию о нем, то есть измеряемую величину, которая является основой для выработки управляющих воздействий. Под управляющим воздействием здесь следует понимать целенаправленное воздействие органа управления на объект.

Управляющая часть или орган управления (в особенности это касается биологических и технических систем) может иметь небольшие размеры, обладать малой мощностью, но при этом управлять колоссальными массами материи и очень большим количеством энергии. Мозг составляет сравнительно небольшую часть тела человека, но он в значительной мере определяет его поведение. При нажатии кнопки на пульте управления включаются в работу мощные механизмы. Приказ одного человека - командира приводит в движение огромные армии.

Таким образом, управление не обязательно связано с перемещением веществ или энергии. При управлении передаются сигналы, несущие информацию.

Как в управляемой, так и в управляющей частях системы управления информация передается в определенном направлении - от входа к выходу.

Входом системы, или определенной ее части, называют ее способность воспринимать то или иное воздействие. Реакцию системы (или ее части) на входное воздействие называют выходом. Входом объекта управления являются возмущающие и управляющие воздействия, а выходом - информация о текущем состоянии объекта. Входом органа управления является информация о состоянии управляемого объекта и задания (цели), а выходом - информация об управляющем воздействии. При таком направлении передачи информации система управления представляет собой замкнутый контур, в котором имеет место получение, передача, преобразование и использование информации.

Система управления является динамической, поэтому она может находиться во множестве различных состояний, из которых при управлении должен быть выбран наиболее предпочтительный. Следовательно, каждая система управления должна обладать определенной свободой выбора. Там, где нет выбора, нет и не может быть управления.

Системы управления весьма разнообразны. Они имеют различную природу. Управление жизнедеятельностью живых организмов, коллективами людей, машинами и механизмами, технологическими процессами и предприятиями, экономикой - все это системы управления.

Современные системы управления, как правило, строятся по иерархическому (ступенчатому) принципу и представляют собой комплекс подсистем различных рангов или уровней. Предприятия химической промышленности специализируются на выпуске определенных групп продуктов и состоят из ряда производств (заводов). Предприятия, сгруппированные по основным видам выпускаемой ими продукции, представляют собой подотрасли и вместе с органом управления образуют производственное объединение.

Предприятия нескольких объединений, тесно связанные друг с другом по продукции, общему сырью и т. п., представляют собой отрасль. Таким образом, в химической промышленности имеется следующая иерархия уровней управления: отрасль; подотрасль (объединение); корпорация, промышленная группа, фирма, комбинат (предприятие, завод); производство (завод, цех); процесс (цех, агрегат, установка).

Управление технологическими процессами, протекающими в агрегатах или на установках, в основном предусматривает стабилизацию технологических величин, таких, как температура, давление, расход, соотношение потоков, качественные показатели готовых продуктов или полуфабрикатов. Обычно для стабилизации технологических параметров используют системы автоматического регулирования, являющиеся разновидностью систем управления.

Система управления агрегатом или установкой является подсистемой управления производством, основные задачи которой заключаются в выработке ограничений для систем управления агрегатами или установками на основе критерия (цели) управления всем производством. Например, для получения определенного количества продукта при минимальных затратах следует сообщить системам управления агрегатами ограничения по качеству полупродуктов каждой стадии производства, а также определить загрузку параллельно действующих агрегатов. Эти ограничения вырабатываются системой управления производством с учетом выделенных производству ресурсов по сырью, энергии и т.п.

Задача управления предприятием заключается в диспетчеризации и оптимальном планировании производства, а также в организации его технического обслуживания.

Помимо технологических функций в системе управления предприятием имеются организационно-технические функции. Организуется бухгалтерский учет, планирование и анализ производственно-хозяйственной деятельности, планируется материально-техническое снабжение и сбыт готовой продукции; при этом определяются оптимальные запасы ценностей на складах предприятий.

К управлению на уровне объединения относится оперативный технико-экономический анализ производственно-хозяйственной деятельности подотрасли, а также планирование загрузки различных производств на основе установленных заданий по ассортименту продукции. Кроме того, при этом решаются задачи перспективного характера: определение рациональной структуры производства продукции на основе изучения реального спроса и эффективности применения этой продукции в различных областях народного хозяйства; выбор наиболее эффективных технологических процессов и составов производства; рациональное размещение новых производств. Решение перечисленных задач выполняется с учетом возможностей по капитальным вложениям, производству продукции, ограничениям на сырьевые и энергетические ресурсы и по ряду других технико-экономических показателей. Указанные ограничения вырабатываются на основе составления баланса производства и потребностей рынка продукции, перспективного и текущего планирования развития и размещения предприятий отрасли, определения темпов и пропорций развития отдельных подотраслей химической промышленности.

Являясь системой более высокого уровня по отношению к системе управления объединением, система управления отраслью выполняет функции технико-экономического анализа и руководства производственно-хозяйственной деятельностью объединений на основе оперативной, бухгалтерской, статистической и другой информации.

Таким образом, при построении систем управления химическими предприятиями можно выделить два класса задач управления. К первому из них относятся задачи управления непосредственно технологическими процессами или агрегатами, ко второму - задачи оперативного управления производствами и всем предприятием.

Основной целью управления технологическими процессами, протекающими в соответствующих аппаратах, является стабилизация технологических режимов. Решение этой задачи достигается с помощью автоматических регуляторов, являющихся частью системы автоматического регулирования. Кроме того, при управлении технологическими процессами нередко осуществляется их оптимизация, то есть реализация того или иного критерия эффективности, обеспечивающего протекание процесса в наилучшем (в каком-либо смысле) направлении. Стабилизация и оптимизация технологических процессов могут выполняться автоматически без непосредственного участия человека-оператора (за ним могут оставаться только функции контроля работы системы управления).

Задачи стабилизации и оптимизации технологических процессов решаются на самом нижнем уровне иерархии систем управления. На этом уровне критерии управления (эффективности) в основном имеют технологический характер, примером могут служить максимальная производительность агрегата или установки, минимальное содержание нежелательных примесей в целевых продуктах, максимальная степень переработки сырья, конверсии газа и др.

При оперативном управлении производствами и предприятием, наряду с технологическими задачами решаются организационные и экономические задачи; критерии управления имеют экономический характер.

В настоящее время задачи стабилизации и оптимизации технологических процессов решаются в рамках автоматизированных систем управления технологическими процессами, называется СУТП.

Задачи же оперативного управления производствами и предприятиями решаются в рамках автоматизированных систем управления – СУТПП. При иерархическом принципе построения систем управления СУТП следует рассматривать как подсистему СУТПП, а стабилизацию и оптимизацию технологических процессов – как подсистему СУТП. Основными функциями СУТП ТП при автоматизации технологических процессов являются: информационная функция, использование ЭВМ в роли «советчика оператора», управляющая функция и непосредственное управление.

Информационная функция – это сбор, обработка и выдача информации о состоянии технологического процесса, производит необходимые расчеты и выводит информацию на устройства вывода в виде таблиц, графиков, бланков и т.д.

ЭВМ в «роли советчика» – это когда система выдает рекомендации оператору, который, «советуясь» с ней и опираясь на собственный опыт, управляет процессом.

Управляющие функции – это управление через локальные регуляторы или с помощью управляющей ЭВМ.

Непосредственное управление технологическим процессом – это управление без локальных регуляторов с помощью ЭВМ. При соответствующем программном обеспечении управление процессом происходит без оператора.

Основные понятия и определения СУТП

Автоматизация - применение машин, машинной техники и технологии с целью облегчения человеческого труда, вытеснения его ручных форм, повышения его производительности. Автоматизация производства призвана устранить физически тяжелый, монотонный труд, переложив его на плечи машин. Автоматизация управления направлена на использование компьютеров и других технических средств обработки и передачи информации в управлении производством, экономикой.

Задача – осуществление управления технологическим процессом, т.е. осуществлять определенные воздействия, соответствующие алгоритму управления системой.

Технологический объект управления – совокупность технологического оборудования и реализованного на нем в соответствии с инструкциями и регламентом технологического процесса производства.

Автоматизированная система управления – предназначена для выработки и реализации управляющих воздействий на технологический объект управления в соответствии с принятым критерием управления.

Критерий управления – соотношение, характеризующее качество работы технологического объекта управления в целом и принимающее числовые значения в зависимости от управляющих воздействий. Критерий может быть технико-экономическим или техническим (параметры процесса, показатели продукта и т.п.) показателем. Необходимы ограничения при выборе управляющих воздействий.

Современная СУТП (автоматизированная система управления технологическим процессом) представляет собой многоуровневую человеко-машинную систему управления. Создание СУТП сложными технологическими процессами осуществляется с использованием автоматических информационных систем сбора данных и вычислительных комплексов, которые постоянно совершенствуются по мере эволюции технических средств и программного обеспечения.

Непрерывную во времени картину развития СУТП можно разделить на три этапа.

Первый этап отражает внедрение систем автоматического регулирования (САР).

Второй этап – автоматизация технологических процессов. Объектом управления становится рассредоточенная в пространстве система; с помощью систем автоматического управления (САУ) реализуются все более сложные законы управления, решаются задачи оптимального и адаптивного управления, проводится идентификация объекта и состояний системы. Характерной особенностью этого этапа является внедрение систем телемеханики в управление технологическими процессами.

Третий этап – автоматизированные системы управления технологическими процессами - характеризуется внедрением в управление технологическими процессами вычислительной техники.

Основой, необходимым условием эффективной реализации диспетчерского управления, имеющего ярко выраженный динамический характер, становится работа с информацией, т. е. процессы сбора, передачи, обработки, отображения, представления информации.

Любую фабрику, завод, предприятие в целом можно рассматривать как подсистему в общей системе промышленности. Управление простейшей подсистемой заключается в выполнении отдельных более простых операций – операций регулирования.

Воздействие на технологический процесс, аппарат или машину в целях поддержания или определенного изменения какой-либо выбранной величины называется регулированием. Например, воздействие на насосную установку, чтобы поддержать заданную производительность, изменение частоты вращения разгрузочного устройства в отсадочной машине для стабилизации высоты постели на отсадочном решете, изменение количества реагентов, подаваемых в процесс флотации, при изменении количества твердого во флотационной пульпе. Регулирование – часть управления.

Для осуществления операций управления и регулирования какой-либо системой (объектом) необходимо иметь данные о том, как эта система должна работать, в каком она состоянии и какие результаты ее работы уже имеются. Все эти данные, необходимые для управления и регулирования, составляют информацию.

Процессы управления и регулирования заключаются в сборе необходимой информации, ее оценке и переработке в целях получения оперативного решения и выработки управляющего (регулирующего) воздействия на систему.

Качественное различие между управлением и регулированием состоит в том, что для управления системой используется и перерабатывается разнородная информация, а для регулирования – информация одного вида.

Технологические процессы и машины, в которых поддержание заданных технологических режимов при изменяющихся условиях работы (в допустимых пределах) обеспечивается без управляющего участия человека, называются автоматическими.

Современная кибернетика сформулировала единый подход к анализу и описанию (алгоритмизации) различных процессов управления и переработки информации, позволивший использовать электронные вычислительные машины для управления технологическими процессами, применяемыми, в частности, на углеобогатительных и брикетных фабриках.

Автоматизация позволяет успешно решать задачи повышения производительности, стабильности и качественных результатов технологических процессов, предупреждения аварийных ситуаций, повышения выхода готового товарного продукта, снижения потерь угля с отходами, улучшения условий и повышения долговечности работы оборудования.

В настоящее время все достаточно крупные промышленные предприятия автоматизированы. Однако степень автоматизации различна и зависит от общего технического уровня производства.

В тех случаях, когда ставят цель автоматически получить только информацию о технологических параметрах, применяют системы и средства автоматического контроля.

Более высокий уровень автоматизации – централизованный контроль, при котором вся информация поступает на пульт оператора или диспетчера. В этом случае используется дистанционное управление, позволяющее посредством установленных в технологической цепи фабрики исполнительных механизмов управлять процессом с центрального пульта.

Следующая ступень автоматизации – автоматическое регулирование технологических параметров или работы машин с помощью локальных систем автоматики.

Для предупреждения аварийных ситуаций нарушения технологического режима применяют автоматическую защиту и блокировку.

Наиболее высокий уровень автоматизации технологии, производства достигается использовании автоматизированных систем управления (СУТП), обеспечивающих оптимизацию качественно – количественных и экономических показателей производства. Применение СУТП на производстве предусматривает сочетание всех перечисленных выше видов автоматизации.

Технологический процесс, агрегат или машина, один или несколько параметров которого регулируются автоматически называется объектом регулирования, а эти параметры параметрами регулирования.

Объект регулирования и автоматические устройства обеспечивающие регулирование, составляют систему автоматического регулирования (CAP).

Активное воздействие, которое оказывает система автоматического регулирования на технологический процесс или аппарат в процессе регулирования, называется регулирующим воздействием.

Различные приборы и устройства, входящие в систему и обеспечивающие автоматизацию процесса, называются техническими средствами автоматики.

Основными техническими средствами автоматики являются следующие.

Датчик – устройство, преобразующее контролируемую величину в информационный сигнал, удобный для использования в системах автоматизации. Датчик обычно состоит из измерительного и первичного преобразователей.

Вторичные показывающие или регистрирующие приборы – устройства, которые получают сигналы от датчиков и выдают наглядную информацию о значении контролируемого параметра оператору, следящему за технологическим процессом.

Измерительный преобразователь, первичный и вторичный приборы образуют систему автоматического контроля и осуществляют измерения контролируемой величины или параметра.

Регулирующие приборы (или регуляторы) получают информацию непосредственно от датчиков или через вторичные приборы и вырабатывают регулирующие воздействия.

Исполнительные механизмы – устройства, которые реализуют регулирующее воздействие, выработанное регулятором. Регулятор включает, выключает или реверсирует исполнительный механизм либо изменяет скорость его действия. Исполнительный механизм получает энергию от внешнего источника и превращает ее в механическое действие регулирующего органа.

Регулирующий орган – часть объекта регулирования, предназначенная для изменения технологического режима.

Все средства автоматизации объединяются в системы с помощью информационных каналов, по которым передается информация в виде периодических или изменяющихся по величине непрерывных сигналов. От датчика сигналы поступают к вторичному прибору или регулятору. В регуляторе информация от датчика перерабатывается и в виде управляющих сигналов поступает в исполнительный механизм.

В автоматизированных системах управления, большая часть информации от датчиков поступает в управляющие вычислительные машины (контроллеры), которые также перерабатывают поступившую информацию в управляющие воздействия. Вычислительные машины учитывают значительно большее количество параметров и их взаимосвязей, благодаря чему значительно повышается эффективность управления технологическими процессами;

Технические средства автоматизации состоят из отдельных элементов, каждый из которых выполняет строго определенную функцию: усиление, суммирование, регистрацию и т. д. Сочетание элементов определяет структуру и функции средств автоматизации.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: