2.3. Анализ технологического процесса как объекта управления

Формулировка любой задачи управления должна определять конечную цель, характеристики объекта и возможные способы управления, обеспечивающие достижение поставленной цели. Общая задача управления ТОУ формулируется обычно задача максимизации (минимизации) некоторого критерия (себестоимости, энергетических затрат, прибыли) при выполнении ограничений на технологические параметры, накладываемые регламентом. Определяются потоки энергии и вещества, которые с помощью специальных регулирующих органов реализуют функции управления.

Для того чтобы решить ту или иную задачу управления, она должна быть формализована, т.е. с достаточной точностью описана математическими зависимостями. При формализации ОУ ставится в соответствие его математическая модель - совокупность математических зависимостей, отражающих те особенности объекта, которые существенны для данного процесса управления им. Модель объекта управления, таким образом, видоизменяется в зависимости от задачи или цели управления. Следовательно, одному объекту соответствует целая совокупность моделей, отражающая разнообразные стороны его функционирования.

Например, при управлении агрегатом для решения задач автоматической стабилизации его режима используется модель динамики, а для задач оптимизации достаточно иметь его статические модели. Каждая из моделей выделяется из некоторой сложной единой математической модели объекта, а все частные модели в той или иной степени связаны друг с другом. В тех случаях, когда такой взаимосвязью пренебрегают или влияние частных моделей друг на друга учитывают отдельно , переход к более простым моделям существенно упрощает и облегчает решение конкретной задачи управления.

Решая задачу управления технологическим процессом, его разбивают на отдельные участки, которые характеризуются сравнительно небольшим числом переменных. Обычно эти участки совпадают с законченными технологическими стадиями, для которых формулируются свои подзадачи управления, подчиненные общей задаче управления процессом в целом.

С позиций теории управления задача автоматического регулирования представляет вырожденную задачу управления. В АСУ ТП подавляющее большинство базовых подсистем решают задачу регулирования, так как выполняют процедуру ε(t) → 0.

Важным этапом в разработке систем автоматизации является анализ основных аппаратов как объектов регулирования. ТОУ характеризуется тем, что в нем происходит взаимодействие материальных, и энергетических потоков. Любой технологический процесс как объект регулирования определяется следующими основными группами переменных.

1. Переменные, характеризующие состояние процесса. Их необходимо поддержать на определенном заданном уровне или изменять по определенному закону в соответствии с технологическим регламентом. Вектор управляемых величин измеряется непосредственно, либо с помощью модели по другим непосредственно измеряемым переменным. Таким образом, состояния любого ТОУ можно характеризовать вектором управляемых величин Y(t) размерностью n. При построении замкнутых систем регулирования в качестве управляемых координат выбирают технологические параметры, изменение которых свидетельствует о нарушении материального или теплового баланса. (Уровень жидкости – показатель баланса по жидкой фазе; давление – показатель баланса по газовой фазе; температура – показатель теплового баланса; концентрация – показатель материального баланса по компоненте.)

2. Переменные, изменением которых СУ может воздействовать на ОУ с целью управления – вектор управляющих (регулирующих) воздействий t с размерностью m <= n. Управляющие воздействия – организованные воздействия, реализуются регулирующими органами. Возможные регулирующие воздействия это изменение материальных или тепловых потоков.

3. Переменные, изменения которых не связаны с воздействием системы регулирования. Эти изменения отражают влияние на регулируемый объект внешних условий, изменения характеристик самого объекта и т.п. Их называют возмущающими воздействиями. Возмущающие воздействия делят на две группы – одни измеримые, а другие – нет. Измеримые возмущения позволяют ввести в систему управления дополнительную информацию для повышения качества ее работы.

По характеру и особенностям влияния на поведение объекта, возмущающие воздействия делят на два вида: внутренние и внешние. Внутренние возмущения – возмущения, которые совпадают с каналом управляющего воздействия (колебания давления в паровой магистрали и т.п.). Внешние возмущения – изменение внешних условий функционирования системы, например, колебания нагрузки технологического агрегата.

Структурная схема объекта регулирования представлена на рисунке 2.4.

Математическая модель системы или объекта управления представляют в виде уравнения

,

где F – некоторый векторный оператор.

Действие возмущений на объект управления может быть аддитивным, тогда модель содержит две составляющие

.

Если характер воздействия на объект управления относится к мультипликативному, тогда модель принимает вид

.

Формально любое мультипликативное возмущение сводится к эквивалентному аддитивному.

Для обычной базовой системы регулирования с одной регулируемой величиной (одноконтурная АСР), объект управления можно имеет следующую структуру Рис. 2.5.

Так как возмущения относятся к классу аддитивных воздействий, то объект управления представляем в виде, когда все возмущения заменяются некоторым эквивалентным (при соблюдении принципа суперпозиции).

, …,

Анализ ТП, как объекта АСР, предполагает оценку статических и динамических свойств по каждому из каналов от любого возможного управляющего воздействия к любому возможному управляемому (регулируемому) параметру, а также оценку аналогичных характеристик по каналам связи управляемых переменных с составляющими вектора возмущений.

В ходе такого анализа определяется структура САР, т. е. решается задача выявления конкретных регулирующих воздействий относительно конкретных регулируемых величин, поэтому выделяются контуры регулирования для каждой регулируемой величины, т. е. определяется некоторая совокупность одноконтурных АСР. Эта задача является достаточно сложной при разработке систем автоматизации технологических установок, не имеющих прототипа.