Вихарев С.М. Лекции по ТСА

Подождите немного. Документ загружается.

Основные этапы развития ТСА.

Процесс совершенствования ТСА протекает под влиянием двух факторов:

требования предприятий-потребителей ТСА, с одной стороны, и возможности

предприятий-изготовителей, - с другой. Побудительной причиной замены

существующих СА на новые для производственников служит повышение

эффективности производства при условии быстрой окупаемости затрат.

Поэтому разрабатывать необходимо те СА которые дадут больший

экономический эффект с учетом затрат на разработку, изготовление и

внедрение.

С другой стороны без широкой практической эксплуатации новых ТСА

невозможно дать объективную оценку экономической эффективности их

применения, отбросить неудачные с экономической точки зрения решения,

сохранить лучшие варианты схем и конструкций. Таким образом, постоянное

обновление технических средств автоматизации - это необходимое условие

технического прогресса во всех отраслях промышленности.

Развитие ТСА прошло три этапа: начальный этап, этап комплексной

автоматизации и механизации и этап АСУ.

1. Первый этап развития ТСА.

Для начального этапа создания средств механизации и автоматизации

технологических процессов характерны низкая производительность труда,

избыток дешевой рабочей силы, небольшие мощности агрегатов и установок.

Поэтому человек участвовал во всех этапах управления производством

достаточно широко. Наблюдение за ходом технологического процесса,

принятие решений и их осуществление требовало как физического, так и

умственно труда человека. Механизировались и автоматизировались отдельные

операции и процессы, управление которыми силами человека надежно

осуществить было невозможно. Автоматизация управления направлялась на

стабилизацию параметров повышенной опасности (частота вращения паровых

турбин, давление пара в котле, уровень воды). Так как применение

автоматизации на первом этапе не носило массовый характер, объем ТСА был

мал, то и не существовало отдельной отрасли их производства.

Значение первого этапа состоит в том, что в это время были

сформулированы основные принципы построения низших уровней

автоматизации, такие как основы современного дистанционного управления с

использованием электро-пневмо-гидродвигателей для привода запорно-

регулирующей арматуры, переход от регуляторов прямого действия к

регуляторам косвенного действия.

Схема регулирования на первом этапе автоматизации компоновалась из

отдельных элементов в конструктивно едином устройстве - регуляторе.

Такой метод компоновки ТС регулирования используется и сейчас на

объектах и технологических процессах с относительно простыми задачами

управления. До сих пор в таких задачах применяются иногда и регуляторы

прямого действия.

2. Второй этап развития ТСА.

Второй этап - этап комплексной автоматизации и механизации

производства соответствует такому уровню развития промышленного

производства, когда растут единичные мощности агрегатов и установок,

производительность труда, развивается материальная и научно-техническая

база автоматизации. Роль оператора в управлении технологическим процессом

смещается в область умственного труда. Человек выполняет различные

логические операции при пусках и остановах оборудования, анализирует

поступающую информацию, контролирует работу автоматических систем.

На этом этапе появляется необходимость крупносерийного производства

ТСА на основе стандартизации и унификации, специализации и

кооперирования. Производство ТСА становится самостоятельной отраслью.

Система автоматического регулирования изготовляется в виде

нескольких конструктивных единиц, блоков, часть из них размещается на

объекте управления, часть на щите автоматики. Это облегчает для потребителя

эксплуатацию и обслуживание ТСА. Производство ТСА выигрывает в этом

случае за счет агрегатирования. Увеличение объемов выпускаемой продукции

приводит приборостроителей к унификации схемных и конструктивных

решений.

Отдельные блоки автоматической системы выполняются с жесткими,

заранее заданными функциями, преимущественно как аналоговые. Вследствие

этого преимущественно имеют место локальные САР, где каждый

регулирующий контур конструктивно самостоятелен и имеет свой регулятор.

Развитие электроники, широкое использование электроэнергии и

электропривода обусловили преимущественное развитие электрических

средств регулирования.

3. Третий этап развития ТСА.

Третий этап развития автоматизации считается этапом АСУ.

Становится экономически и технически целесообразной автоматизация

управления на более высоких уровнях.

На этом этапе разрабатываются автоматы высоких функциональных

возможностей, способные осуществлять сложные вычислительные процессы и

логические операции.

Основным элементом в структурной схеме таких автоматических систем

являются ЭВМ. ЭВМ плюс устройства связи с объектами образуют

информационно-управляющий комплекс как техническую основу любой АСУ.

В состав АСУ как подсистемы могут входить локальные системы

автоматического регулирования, реализованные на аналоговых и цифровых

ТСА. В настоящее время взамен аналоговых регуляторов выпускаются

цифровые на базе микропроцессорных средств.

4. Основные принципы стандартизации при производстве ТСА.

Следует отметить, что ТСА морально стареют гораздо быстрее, чем

физически, поэтому на предприятиях можно встретить элементы

автоматических систем различных поколений.

С развитием автоматизации, увеличением объема управляемых функций,

возрастают требования к функциональному разнообразию автоматических

устройств, расширению их технических характеристик и конструктивных

особенностей. Экономика приборостроения стимулирует выпуск крупных

серий однотипных устройств.

Для оптимального ответа на эти взаимопротивоположные требования

применяют методы стандартизации на всех этапах разработки и изготовления

ТС АСУТП. СТП (стандарт предприятия); ОСТ (отраслевой стандарт); ГОСТ

(государственный стандарт).

Стандартизация базируется на агрегатировании и блочно-модульном

принципе исполнения технических средств АСУТП.

Агрегатирование направлено, с одной стороны, на максимальное

удовлетворение запросов потребителей ТСА, а с другой стороны на

ограничение номенклатуры серийно выпускаемой продукции. Оно

основывается на разложении общей задачи управления на ряд простых

однотипных операций. Различные комбинации этих операций встречаются во

всех системах управления.

Агрегатирование предусматривает разработку и использование

ограниченного перечня блоков, модулей и унифицированных типовых

конструкций (УТК) для построения множества проблемно-ориентированных

комплексов.

Состав серийно изготавливаемых СА формируется из блоков, модулей,

приборов и механизмов, которые представляют собой конструктивно

завершенные и функционально самостоятельные единицы.

Блок - конструктивное сборное устройство, выполняющее одну или

несколько функциональных операций по преобразованию информации.

Модуль - унифицированный узел, выполняющий элементарную типовую

операцию в составе блока или прибора.

Механизм исполнительный - устройство для преобразования

управляющей информации в механическое перемещение с достаточной для

воздействия на объект управления мощностью.

В соответствии с принципом агрегатирования САУ создаются путем

монтажа блоков, модулей, приборов и их коммутации: блочно-модульный

принцип исполнения ТСА.

Иерархическая структура ТСА может быть представлена в следующем

виде: Агрегат - Блок, модуль - Микромодуль, плата - Микросхема, элемент

Блочно-модульный принцип позволяет специализировать производство

ТСА, повысить ремонтопригодность, увеличить коэффициент использования

средств автоматизации в системе управления.

Унификация - сопутствующий агрегатированию метод стандартизации.

Направлен на ограничение многообразия параметров и технических

характеристик, принципов действия и схем, а также конструктивных

особенностей исполнения СА.

Типизация предшествует унификации. В процессе типизации

разрабатываются и устанавливаются типовые конструкции машин,

оборудования, приборов, технологических процессов, наилучших по

существенным признакам.

5. Обобщённая техническая структура типовой АСР.

Классификация автоматических регуляторов, назначение и

функции.

Автоматическое регулирование - это одна из основных управляющих

функций АСУТП.

Для технической реализации типовой АСР к объекту регулирования

необходимо подключить комплекс технических средств, называемый

регулятором. Регулятор позволяет реализовать заданный алгоритм управления.

Чаще всего АР - это стабилизация технологического параметра на заданном

уровне, компенсация отклонений регулируемой величины от заданного

значения, возникающих вследствие действия различных возмущений.

Структурная схема одноконтурной АСР

Автоматические регуляторы классифицируются:

 по назначению: температуры, давления, влажности;

 по дополнительному источнику энергии: прямого и косвенного действия;

 по виду дополнительного источника энергии: электрические,

пневматические, гидравлические и комбинированные;

 по форме выходного сигнала: непрерывные, дискретные и цифровые;

 по закону регулирования: П-; И-; ПИ-; ПД-; ПИД- и позиционные.

Входной величиной регулятора является отклонение регулируемой

величины от заданного значения ε.

Выходной величиной АР является регулирующее воздействие U.

6.Основные требования к измерительной, управляющей и

исполнительной частям АСР.

В локальных САР также можно выделить измерительную часть,

информационно-управляющую и исполнительную.

Измерительная часть состоит из первичных измерительных

преобразователей (ПИП) и вторичных преобразователей. ПИП преобразуют

параметр ТОУ в изменение энергетического потенциала сигнала-носителя

информации. Вторичные ИП служат для согласования выхода датчика со

входами управляющей части локальной САР. Например: усилители, делители,

нормирующие преобразователи. Изменяют вид энергии сигнала носителя (из

пневматического в электрический) и вид сигнала (аналог-цифра).

Управляющая часть может состоять из одного или нескольких блоков,

реализующих требуемый алгоритм регулирования. В типовые алгоритмы чаще

всего входят операции статического и динамического преобразования

информации (усиление, алгебраическое суммирование, интегрирование,

дифференцирование, нелинейное и логическое преобразование).

В состав исполнительной части типовой локальной САР обычно входят

ИМ и согласующие устройства (усилители мощности, пускатели).

Динамика регулятора определяется алгоритмом управления с одной

стороны и технической структурой измерительной и исполнительной части с

другой.

)()()()( рWрWрWpW

ИМУПРИЗМP



следовательно

)()(

)(

pWpW

испизм

упр





Фактические характеристики реальных АР отличаются от теоретических

в зависимости от структуры и конструктивного оформления.

Качество линейных АР оценивают полосой частот [0;

], внутри которой

КЧХ регулятора несущественно отличается от теоретической. Незначительно

сказывается это отличие на качестве переходных процессов. Для большинства

промышленных регуляторов инерционность ТОУ 0.2 - 2 рад/с.

Для удобства эксплуатации к АР предъявляют дополнительные

требования:

 безударное переключение при переходе с ДУ на автоматическое; или с

внешнего задающего устройства на внутреннее;

 ограничение командного аналогового сигнала по верхнему и нижнему

уровням и сигнализация об этом;

 гальваническое разделение входных и выходных цепей АР;

 автоматическое изменение параметров настройки АР для реализации

адаптивного регулирования.

7. Основные принципы конструирования автоматических

регуляторов.

В аналоговых регуляторах все информационные и командные сигналы

непрерывны во времени. Многие релейные элементы в электрических АР

функционируют с устройствами обратной связи и ИМ постоянной скорости в

специальных режимах, называемых скользящими или импульсными. В таких

режимах работа нелинейных элементов в среднем эквивалентна действиям

аналоговых линейных устройств. Поэтому электрические АР с релейно-

импульсными промежуточными сигналами относят к классу аналоговых

регуляторов.

В дискретных АР информационные или командные сигналы квантуются

по времени или по уровню (амплитудная, широтно-импульсная модуляция, или

двух-, трехпозиционное квантование). В состав дискретных АР могут входить

квантователи, модуляторы, релейные элементы, фиксаторы-интерполяторы для

преобразования импульсного сигнала в кусочно-непрерывный. Автоматические

регуляторы с ИМ постоянной скорости при непрерывных командных сигналах

относятся к дискретным регуляторам.

Аналоговые и дискретные АР с заданными теоретическими законами

регулирования конструируют с помощью последовательно-параллельного

соединения активных и пассивных элементов в корректирующие цепи. А так же

с помощью обратных положительных и отрицательных связей.

В цифровых регуляторах сигналы квантованы по времени и по уровню. В

отличие позиционных АР число уровней квантования велико, 256 и больше.

При числе уровней 1024 и более систематическая относительная

погрешность квантования не превышает 0,1 % и цифровой АР можно в

функциональном отношении рассматривать как импульсный.

По конструктивным признакам АР подразделяются на:

 аппаратные

 приборные

 агрегатные

 модульные (элементные).

Аппаратный АР работает в комплекте с ПИП независимо от средств

измерения данного технологического параметра.

Регуляторы приборного типа, состоят из отдельных унифицированных

блоков, выполняющих определенные функции. Входные и выходные сигналы

унифицированы. Это позволяет проектировать из блоков АР различного

функционального назначения.

АР модульного типа состоят из элементов-модулей, выполняющих

простейшие операции. Входные и выходные сигналы унифицированы, что

позволяет строить АР различного назначения.

8. Определение принципа функциональной обратной связи.

При создании реальных автоматических регуляторов не всегда удается

точно обеспечить типовой закон (алгоритм) регулирования. Это объясняется

инерционностью исполнительных механизмов, а также тем, что практически

невозможно реализовать идеальное дифференцирующее звено. Поэтому важно

определить величину погрешности, вносимую промышленным регулятором в

закон регулирования.

Выделим формирующий блок из структуры регулятора. Передаточная

функция участка схемы, охваченного обратной связью определится:

)()(1

)(

рWрW

рW

УСОС

УС

ФБ





Разделим числитель и знаменатель на

)( pW

УС

. Получим:

)(

рW

ОС

УС

ФБ





Если выполняется условие:

)(

рW

ОС

УС



, то ПФ участка схемы,

охваченного ООС, будет равна:

)(

рW

ОС

ФБ



Это позволяет сделать важный практический вывод, что динамические

свойства формирующего блока не зависят от динамических свойств прямого

канала, а определяются только свойствами обратной связи. Такие свойства

участка, охваченного обратной связью, используются при разработке схем

промышленных АР и для компенсации отрицательных качеств отдельных

элементов АСР.

9. Аналоговый П – регулятор.

Идеальный П – регулятор имеет передаточную функцию вида

KpW )(

Реальный аналоговый промышленный регулятор должен иметь

усилитель с передаточной функцией

УУ

KрW )(

и исполнительный механизм,

например электрический, с передаточной функцией

рТ

рW

ИМ







)(

Для получения П - закона регулирования введем О.О.С. Охватим ею и

усилитель. Это позволит увеличить коэффициент передачи прямого канала

формирующего блока.

Определим передаточную функцию канала О.С. из условия

)(

рW

ОС

ФБ



ОС

РП

ОС

kрW

pW 

)(

Таким образом, структурная схема формирующего блока П – регулятора

состоит из трех блоков:

Для оценки точности реализации П – закона реальным регулятором

определим его передаточную функцию:

)()(

)( рWрW

рТ

kkрТ

рТ

бП

УСОС

ИМ

ОС

УСОСИМ

УС

ИМ

УСОС

ИМ

УС





















)(





рT

рW

;

УСОС

ИМ





Переходная характеристика реального П – регулятора данного типа.

10. Аналоговый ПИ-регулятор. Вариант «а».

Идеальный ПИ – регулятор имеет передаточную функцию

















рT

KpW

ИЗ

PПИ

1)(

рT

KpW

РПИ





)(

Промышленные ПИ – регуляторы могут быть реализованы по четырём

схемам.

Аналоговый ПИ – регулятор с непрерывным выходным сигналом с

идеальным функциональным блоком.

ПИ-закон формируется так же, как и в идеальных регуляторах. Для

уменьшения отрицательного влияния на закон ПИ-регулирования

исполнительного механизма его охватывают ООС в виде усилительного звена с

передаточной функцией

ОСОС

KpW )(

Передаточная функция реального регулятора:















ОСИМ

ПИ

ИМ

ОС

ИМ

ПИP

kрТ

рW

рТ

рWpW

)(

)()(

)( рWрW

рW

БПИ

ОС

ИМ

ОС

ПИ







)(





рТ

рW

;

ОС

ИМ

Т 

Таким образом, данная схема реального ПИ-регулятора реализует ПИ-

закон с погрешностью, определяемой балластным апериодическим звеном

первого порядка.

Вывод: Чем больше К

ос

, тем меньше Т

, тем меньше погрешность

реализации ПИ-закона регулирования.

Следует иметь в виду, что при этом уменьшается коэффициент передачи

ПИ-регулятора в Кос раз. Это необходимо учесть при установке K

ПИ-

регулятора.

11. Аналоговый ПИ-регулятор. Вариант «б».

Аналоговый ПИ – регулятор с функциональной связью, охватывающей

усилитель.

В данной структурной схеме ПИ-закон реализуется за счет динамических

свойств канала обратной связи. Для построения технической структуры

промышленного регулятора воспользуемся принципом функциональной

обратной связи.

)(

рW

УС

ОС



Для такой технической структуры идеальный закон лучше задавать в виде

изодромной схемы.

















рТ

kрW

ИЗ

РПИ

1)(