30) Характеристика систем управления технологическими процессами

 

Взаимосвязанную совокупность оборудования, на котором вы­полняется технологический процесс, назовем технологической си­стемой. Отвлекаясь от физической сущности, представим техноло­гическую систему в виде многомерного объекта, описываемого тремя группами переменных.

Первую группу переменных обозначим вектором W(t), составляющие которого , …, представляют собой параметры, характеризующие свойства и количество входных про­дуктов (температура, химический состав, механические свойства, размеры, количество и т. п.). Вторая группа переменных V (t) = {, …,} представляет собой параметры, характе­ризующие свойства выходного продукта. Третья группа составлена из параметров, характеризующих условия протекания технологического процесса. Обозначим их векторной переменной Z(t) = {, …,}. К этим параметрам, как правило, относятся давление и температура в технологическом агрегате, скорость и координаты рабочих частей механизма, производительность и др. Выделим среди перечисленных переменных те, которые могут ха­рактеризовать состояние технологической системы (вектор состоя­ния), и управляющие переменные (вектор управления).

В общем случае состояние технологической системы характери­зуется всеми выделенными выше переменными. Действительно, для определения управляющего воздействия нужна информация как о свойствах и количестве входных и выходных продуктов, так и об условиях протекания процесса. Однако размерность векторов W(t), V(t) и Z(t) в реальных технологических системах обычно весьма велика и превышает возможности управляющего органа (оператора или автоматического устройства) по обработке инфор­мации. Кроме того, на практике часть переменных либо не требуется измерять, т. е. они несущественны с точки зрения цели управления, либо измерять невозможно из-за технических сложностей.

Поэтому только часть составляющих векторов W(t), V(t) и Z(t)  используют для формирования вектора состояния х (t). Пере­менные вектора состояния условно разобьем на две группы. В пер­вую группу включим те переменные, которые можно целенаправ­ленно изменять в процессе управления. Назовем их управляемыми переменными. Вторую группу составим из переменных, которые из­меряются и используются при формировании управляющего воз­действия, но не могут целенаправленно изменяться при управлении данным технологическим процессом. Таки­ми переменными являются, например, по­казатели качества входного продукта. Их необходимо учитывать при управлении, но активно влиять на них невозможно.

В   качестве  управляющих  переменных обычно выбирают те составляющие векто­ров W (t)   и   Z (t),   целенаправленное из­менение которых технически возможно и существенно влияет на показатель цели управления.

Таким образом, выбор переменных для описания состояния и управляющих переменных зависит от цели управления техноло­гическим процессом, от возможностей измерения свойств входных и выходных продуктов, а также от особенностей и физических свойств технологической системы.

Переменные векторных функций W (t) и Z (t), не использован­ные при формировании вектора состояния и вектора управления, могут рассматриваться как неконтролируемые возмущающие воз­действия, приложенные к технологической системе (вектор возму­щений).

Поэтому технологическую систему можно представить схемой (рис. 3.3). На ее информационные входы действуют векторные функ­ции u (t) (вектор управления) и f (t) (вектор возмущения), а на информационном выходе — векторная функция х (t) (вектор со­стояния), т. е. технологическую систему можно представить как преобразователь функций u (t) и f (t) в функцию х (t). Каждая вы­ходная переменная , …, в общем случае определяется всеми входными переменными. Поэтому

 

                                          x(t) = F (u(t), f(t)),                            (3.1)

 

где F — оператор преобразования.

Выражение (3.1) является формальным описанием технологиче­ской системы, т. е. моделью. Конкретное выражение оператора F зависит от физических свойств технологической системы и уста­навливается при ее идентификации.

Определим технологический процесс как целенаправленную смену состояний технологической системы во времени. Формально его можно описать вектор-функцией . Таким образом, состояние технологического процесса и состояние технологической системы характеризуются одними и теми же пере­менными , …, , которые назовем параметрами технологиче­ского процесса.

Задачу управления технологическим процессом можно сформу­лировать следующим образом: найти такое состояние технологиче­ского процесса х* (t) (технологический режим) и такое управляющее воздействие u* (t), которые удовлетворяют как цели управления, так и ограничениям вида (1.3). В большинстве практических случаев при управлении технологическим процессом определение программы управления (плана) х* (t) и формулирование управляющего воздей­ствия u* (t) (регулирование) разделены по времени и осуществляются в форме двух последовательных процедур.

Графически управление технологиче­ским процессом можно представить в про­странстве параметров его состояния х (t) следующим образом (рис. 3.4). Программа управления — это фазовая траектория х* (t). Ход технологического процесса представляется фазовой траекторией x_р (t), которая описывает процесс регулирования.

Траектории х* (t) и х_р (t) совпадают лишь в идеальном случае. Реальный процесс несколько отклоняется от х* (t).

В промышленности существует множество типов технологиче­ских процессов, отличающихся физическими законами, положен­ными в их основу, оборудованием, на котором они выполняются, условиями их протекания, качеством исходного сырья и др. Однако, несмотря на большое разнообразие технологических процессов, системы управления ими могут быть разделены на типы по сходству целей и алгоритмов управления.