Основные понятия и определения

Автоматизация технологических процессов — это преобразование неэлектрических параметров в электрические, регистрация технологических параметров, передача информации, принятие решения и управление состоянием объектов.

Основными параметрами технологических процессов являются температура, давление, уровень, масса, объем, расход, качество, состав и другие электрические и неэлектрические величины.

Для контроля величин этих параметров необходимо вести измерения непрерывно. Результаты измерений сравниваются с требуемыми значениями контролируемого параметра, а если имеются отклонения, то подается сигнал об отклонении. Отклонения могут быть положительными или отрицательными, уменьшения или повышения и так далее. По отклонениям принимается решение и подается сигнал на объект управления. В процессе принятия решения могут участвовать человек-оператор или устройство.

Под управлением понимают такую организацию процесса, которая обеспечивает заданный характер протекания процесса. При этом сам процесс (совокупность технических средств — машин, орудий труда, т. е. исполнителей конкретного процесса) с точки зрения управления является объектом управления (ОУ), а переменные, характеризующие состояние процесса, называются управляемыми переменными или управляемыми величинами.

Автоматическое управление (регулирование) — это осуществление какого-либо процесса без непосредственного участия человека, с помощью соответствующих систем автоматики. Если автоматическое управление призвано обеспечить изменение (поддержание) управляемой величины по заданному закону, то такое автоматическое управление называют автоматическим регулированием.

Технические устройства, выполняющие операции управления (регулирования), называются автоматическими устройствами.

Совокупность средств управления объектов образует систему управления.

Систему, в которой все рабочие и управляющие операции выполняют автоматические устройства, называют автоматической системой.

Условно систему автоматического управления (САУ)можно разделить на две части: регулятор и объект управления (ОУ) (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Функциональная схема САУ.

Объектами управления могут быть технологические установки, отдельные параметры технологического процесса, различные двигатели и т. д. Воздействия, прикладываемые к регулятору для обеспечения требуемых значений управляемых величин, являются управляющими воздействиями. Управляющие воздействия называют также входными величинами, а управляемые — выходными величинами. Таким образом, всякий технологический процесс характеризуется совокупностью физических величин, называемых показателями или параметрами процесса.

Величины, характеризующие состояния объекта управления, схематически можно показать следующим образом (рис. 2.2).

Рассмотрим приведенные определения и понятия на конкретном примере, в качестве которого возьмем систему регулирования частоты вращения электродвигателя постоянного тока (рис. 2.3). Здесь ОУ является электродвигатель М, характеризуемый частотой вращения w. Изменение величины го достигается изменением напряжения ?/_я, подводимого к якорю электродвигателя. Очевидно, что величина 11_я и величина го будут максимальными, если ползунок т потенциометрического реостата П окажется в крайнем нижнем положении. При перемещении ползунка т в крайнее верхнее положение и_я = 0 и соответственно го = 0. Таким образам, перемещая ползунок т от крайнего нижнего положения в крайнее верхнее, можно изменять частоту вращения го от максимального значения до нуля. Для удобства контроля частоты вращения.

Рис. 2.2. Характеристики состояния объекта управления:

G = (g_p g₂, g'₍) — вектор совокупности контролируемых воздействий;

F= (f_vf₂, ???<//) — вектор неконтролируемых воздействий; U = (и_|( и₂,…, м) — вектор управляющего воздействия;

Y = (г/р у₂,…, у_т) — вектор управляемых величин;

X = (Хр х₂,…, xj — вектор состояния объекта.

Рис. 23. САУ частоты вращения электродвигателя постоянного тока:

а — разомкнутая система регулирования; б — замкнутая система регулирования с валом электродвигателя связан вал тахогенератора BR — электрического генератора, преобразующего величину w в напряжение U_BR = K_BRw. Вольтметр PV, включенный на напряжение тахогенератора U_BR, градуируется в единицах измерения частоты вращения (рад/с) или скорости вращения вала электродвигателя (мин'¹).

Представленная на рис. 2.3, а система регулирования является разомкнутой, а регулирование в ней осуществляется по разомкнутому цикл)'. Разомкнутая система характеризуется тем, что изменения регулируемой величины не передаются на вход системы и не изменяют значения регулирующей (управляющей) величины. Регулирование в разомкнутой системе осуществляется с участием человека-оператора (Оп), который, наблюдая за значением регулируемой величины по регистрирующему прибору, устанавливает такое значение регулирующей величины, которое необходимо для обеспечения заданного режима работы системы. Таким образом, в рассмотренной разомкнутой системе осуществляется ручное, неавтоматическое регулирование.

Для обеспечения автоматического регулирования необходимо провести замыкание системы, что достигается введением в систему обратной связи, под которой понимают совокупность устройств (в данном примере цепь П-М-ВЯ-П), передающих изменения выходной (регулируемой) величины на вход системы. Таким образом, разомкнутая система регулирования (см. рис. 2.3, а) превращается в замкнутую (см. рис. 2.3, б). При этом необходимо соблюдать условие.

где U' — задающее напряжение, снимаемое с потенциометра, в данном случае является входной величиной. При возрастании момента сопротивления М. на валу электродвигателя, определяемого условиями работы рабочей машины РМ, частота вращения w уменьшается. Это вызовет уменьшение величины U._iR и последующее автоматическое возрастание величины 1Г_Я согласно уравнению U_A = t/ - U_BR и, следовательно, увеличение w.

Таким образом, в системе возникают условия автоматического поддержания выходной величины на заданном уровне, устанавливаемом соответствующим положением ползунка. Очевидно, что при уменьшении значения М_с и возрастании частоты вращения значение 1)_я будет автоматически уменьшаться, обеспечивая вновь автоматическое регулирование w.