10611

Генерация опорного значения. Системы, содержащие несколько контуров управления

Реферат

Информатика, кибернетика и программирование

Генерация опорного значения. Системы содержащие несколько контуров управления. Взаимосвязанные системы. Критичные по времени процессы. Сбор данных измерений и обработка сигналов. Топология информационных потоков. Интерфейс оператора. Системная интеграция и надежность...

Русский

2013-03-29

107.1 KB

4 чел.

Генерация опорного значения. Системы, содержащие несколько контуров управления. Взаимосвязанные системы. Критичные по времени процессы. Сбор данных измерений и обработка сигналов. Топология информационных потоков. Интерфейс оператора. Системная интеграция и надежность управления

Иногда в химической реакции необходимо поддерживать величину температуры в соответствии с опорным значением — уставкой, — которое постоянно пересчитывается во время протекания процесса. Вычисление опорной температуры не должно иметь заметного запаздывания — каждое ее новое значение должно быть рассчитано до момента очередного сравнения с текущей температурой.

Системы, содержащие несколько контуров управления

Во многих приложениях необходимо регулировать сразу несколько параметров — температуру, уровень, давление, положение и т. д., — для каждого из которых используется свой контур управления. В большинстве случаев эти отдельные задачи можно решить независимо друг от друга с помощью локальных специализированных регуляторов на основе алгоритма, аналогичного показанному на рис. 1.9. Альтернативным решением является использование центрального управляющего компьютера, который выполняет одну и ту же программу для различных параметров и входных данных каждого контура. Эта управляющая подпрограмма для каждого контура может исполняться со своей периодичностью, при этом компьютер должен обладать достаточными ресурсами для обработки всех данных за требуемое время.

Рассмотрим офисное здание или многоквартирный дом, в котором необходимо регулировать температуру каждой отдельной комнаты. Фактическое значение температуры в каждой комнате зависит от влияния внешних факторов — открытых или закрытых окон и дверей, количества людей в комнате, включено ли освещение и т. д. Для регулирования температуры в этом случае можно использовать один компьютер, который поочередно обслуживает каждую комнату. Компьютер многократно исполняет одну и ту же программу управления каждый раз с новыми значениями выходных и входных переменных.

Взаимосвязанные системы

На сложных производствах одновременно используются разные типы управления, и, соответственно, существует взаимосвязь между частными процессами. Например, запуск промышленного процесса может заключаться в выполнении ряда последовательных шагов. После достижения процессом заданного рабочего состояния управление переводится на систему регулирования с обратной связью для более точного поддержания требуемого режима. Примерами в этом смысле могут служить система электропривода и химический реактор. Двигатель или реактор выводится на рабочий режим при помощи управления последовательностью событий, а затем вступает в действие регулятор с обратной связью для поддержания требуемого значения скорости вращения или температуры соответственно.

Критичные по времени процессы

Многие процессы требуют высокого быстродействия системы управления. Рассмотрим, например, регулирование скорости прокатного стана. Работу различных двигателей и механизмов прокатного стана необходимо синхронизировать с высокой точностью, в противном случае стальная полоса может либо порваться, либо значительно погнуться. Идея управления заключается в некотором ослаблении натяжения стальной полосы в течение всего процесса. Высокая скорость движения полосы (10-100 м/с) обусловливает необходимость распознать изменение скорости любого двигателя в пределах нескольких миллисекунд с последующей коррекцией скорости других двигателей. Разумеется, это предъявляет весьма высокие требования к быстродействию управляющего компьютера.

Свойства процессов, усложняющие управление

Уровень сложности системы управления определяется, в первую очередь, свойствами управляемого процесса. Среди прочих проблем, усложняющих управление, наибольшее влияние оказывают:

  1.  нелинейность процесса;
  2.  изменяющаяся внешняя среда;
  3.  изменение условий самого процесса;
  4.  значительные временные задержки;
  5.  внутренние связи процесса.

Практически все физические процессы по своей природе нелинейны. Фактически линейные соотношения в большинстве случаев представляют собой искусственное упрощение реального положения вещей. Например, зависимость между силой реакции и удлинением пружины в механических системах очень часто нелинейна, т. е. если удлинение пружины увеличивается в два раза — сила реакции не удваивается, а растет быстрее. Скорость протекания реакции в большинстве химических процессов нелинейно зависит от температуры. При некоторой рабочей температуре изменение последней на несколько градусов вызывает изменение скорости реакции. Это, однако, не означает, что такое же изменение при другой рабочей температуре приведет к точно такому же изменению скорости реакции.

Тем не менее, благодаря своей простоте — по крайней мере, по сравнению с нелинейным представлением — линейные модели позволяют создавать удобные аппроксимации физических систем.

Запаздывание сигналов или наличие зон нечувствительности (мертвых зон) представляет собой серьезную проблему для управления. Из-за этого регулятор функционирует на основе устаревших данных, вплоть до того, что он может выдавать ложные команды. Запаздывания всегда присутствуют в тех процессах, где некоторые параметры нельзя измерить непосредственно. Например, при регулировании концентрации жидкости ее величина измеряется в нижнем сечении трубы и затем тать в рамках жестких временных ограничений, подвержена постоянному изменению нагрузки и внешних условий, требует очень высокой управляемости и надежности. Обеспечить круглый год без перебоев наличие в любой розетке электрической энергии с постоянными значениями напряжения и частоты далеко не просто. Эффективно управлять такими большими системами можно только с помощью компьютеров.

Особенности систем цифрового управления

Примеры, приведенные ранее, отражают ряд свойств, которые необходимо учитывать в системах управления. Управляемый технический процесс представляет лишь только часть проблемы; другая ее часть — это управляющий компьютер. Система управления используется не только для регулирования и определения последовательности технологических операций типа описанных выше, но должна выполнять и ряд дополнительных функций, например, распознавать нештатные ситуации и адекватно на них реагировать. Кроме того, она собирает текущие рабочие данные, рассчитывает статистические параметры, отображает информацию для операторов и исполняет их команды. Наиболее важные задачи, решаемые системой управления техническим процессом, представлены на рис. 1.10

При разработке проекта, включая определение необходимых вычислительных ресурсов, необходимо исходить из требований, предъявляемых ко всей технической системе, т. е. совокупности технического процесса и системы управления. Основное требование к системе управления заключается в том, что ее ресурсы должны соответствовать целям управления и параметрам управляемой системы

Отображение развития процесса во времени

Данные, полученные в результате измерений, должны с требуемой точностью отображать динамику процесса. Особую важность при этом имеет частота выборки, т. е. периодичность измерения новых данных. Ее определение обычно является нетривиальной задачей.

Высокая частота выборки влечет за собой большую загрузку компьютера, так как он должен обрабатывать больше данных. В ряде случаев речь может идти даже о финансовых затратах, связанных со сбором данных процесса, например, при измерениях концентрации, где необходимы химические реагенты. Это означает, что число измерений необходимо минимизировать, однако их частота должна быть достаточно высокой для обнаружения важных изменений в контролируемых параметрах процесса. Другими словами, должен быть найден компромисс между затратами на измерение и ценой последствий, к которым может привести потеря части информации об изменениях в процессе.

Рис.1.10 Задачи, решаемые компьютером при управлении процессом

На загрузку компьютера влияет не только частота измерений, но и сложность расчетов в промежутках между измерениями. Эта проблема будет рассмотрена более подробно в следующих главах книги.

Сбор данных измерений и обработка сигналов

Все сигналы измерений содержат как полезную информацию, так и помехи. Измерения всегда приблизительны из-за ошибок калибровки, неточности датчиков или наличия шума. Сигнал, передающийся от датчика к компьютеру через электрический провод, может быть искажен электромагнитным шумом.

Из повседневного опыта известно, что фильтрация сигналов и извлечение информации являются важными задачами. Если несколько человек за столом начнут говорить, то микрофон будет фиксировать лишь набор звуков, из которого невозможно получить полезную информацию. В то же время человеческое ухо способно "отфильтровать" определенные голоса среди прочих и извлечь требуемую информацию. То же самое нужно делать с измерительной информацией с помощью фильтра.

Даже если мы используем точный датчик и передаем сигнал без помех, тем не менее получаемые данные могут не всегда адекватно представлять интересующие параметры процесса. Например, измерение уровня жидкости может быть некорректным из-за зыби, а концентрации — из-за наличия неоднородностей.

Уровень сложности системы

Уровень сложности технического процесса отражается на конфигурации управляющего компьютера. Количество датчиков и исполнительных механизмов определяет необходимое число портов ввода/вывода и в целом требует более мощного процессора, большего объема оперативной и внешней памяти и т. д.

Связь между внутренними переменными процесса и его входными или выходными данными определяет сложность программного обеспечения регулятора. Программы реального времени гораздо труднее тестировать по сравнению с обычными, поэтому их код должен быть настолько хорошо структурирован, чтобы ошибки можно было выявить как можно раньше.

Топология информационных потоков

Сложные системы управления и мониторинга обычно представляют собой иерархическую структуру на базе соединенных между собой цифровых устройств разного класса.

Организация взаимодействия между этими устройствами является центральной задачей проектирования современных систем управления процессом. Для рационального использования имеющихся ресурсов необходимо определить вид и количество информации, которой обмениваются компьютеры, — информационные потоки. Не все компьютеры должны получать подробную информацию об управляемом техническом процессе. Особую роль играет надежность передачи информации — необходимо принимать такие решения, чтобы данные всегда достигали своего назначения без искажения и потерь.

Интерфейс оператора

Графические интерфейсы компьютерных терминалов становятся все более и более изощренными. Современные дисплеи обладают фантастическими возможностями отображения сложно организованных данных, включая цветовые палитры с миллионами оттенков, разнообразную графику, даже мультипликацию и видео. Однако все это требует больших вычислительных ресурсов, за которые программы интерфейса будут конкурировать с модулем обработки данных, и поэтому оператор может получать информацию с задержкой. С другой стороны, не вся информация может ждать, например, сигналы тревоги и другие важные сообщения должны отображаться немедленно. Поэтому при проектировании интерфейса необходимо тщательно отбирать информацию и сопоставлять способ отображения со степенью ее важности в текущий момент, человеческими возможностями воспринимать и адекватно реагировать на нее и имеющимися ресурсами.

Системная интеграция и надежность управления

Ключевым вопросом любой системы управления является надежность. Цифровые системы — не исключение, и, как отмечалось в разделе 1.2, эта проблема возникла уже в первые годы их применения. Один из основных недостатков принципа прямого цифрового управления — это низкая надежность. Хотя общее качество вычислительной техники существенно возросло с 1960-х годов, проблема надежности таких систем остается тем не менее одной из главных, так как центральный компьютер по-прежнему представляет собой критическую точкуузел, выход которого из строя приводит к остановке всей системы. Очевидное решение этой проблемы — децентрализация вычислительных ресурсов, при которой небольшие локальные вычислительные устройства управляют отдельными частями сложного процесса. Децентрализация и системная интеграция сложных систем управления процессами рассматриваются в главе 12.

Надежность программного обеспечения крупных систем не менее важна, чем надежность аппаратных средств. В январе 1990 года в течение почти 9 часов телефонная сеть США обеспечивала прохождение лишь около 50 % трафика. Причина заключалась в невыявленной ошибке в очень сложной программе.

Практический подход к повышению надежности систем предполагает, с одной стороны, применение отказоустойчивых конфигураций аппаратных средств, рассмотренных в главе 12, а с другой — специальные методы проектирования структуры программного обеспечения, программирования и отладки, позволяющие исключить с самого начала наиболее вероятные ошибки


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

12291. Измерение длины световой волны с помощью бипризмы Френеля. 166 KB
  Отчет по лабораторной работе №1. Измерение длины световой волны с помощью бипризмы Френеля. Цель работы: Измерение длины световой волны с помощью бипризмы Френеля. а бипризмы Френеля Sисточник монохроматический б рабочая установка: осветите
12292. ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИНЫ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ С ПОМОЩЬЮ ПРОЗРАЧНОЙ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЁТКИ 209 KB
  При прохождении света через любую из щелей происходит дифракция (в результате которой волны распространяются от щели по всем направлениях). Идущие от всех щелей волны собираются линзой О на экране Э и интерферируют (складываются).
12293. Банктік менеджментті жетілдіру жолдары 164.5 KB
  Кіріспе Менеджмент – ұйымдастыру және басқарудың оңтайлы жүйесі туралы ғылым. Менеджменттің мағынасы әр түрлі. Менеджмент сөзі тар мағынасында белгілі бір адамдар тобын ұйымдастыру мен басқаруға қатысты болса оны кең мағынасында банктің қызме
12294. Банктік карточкалар бойынша жүргізілетін операциялар есебі 319.5 KB
  Кіріспе. Зерттеу тақырыбының өзектілігі. Қазақстан Республикасының төлем системасының ұйымдастырылуы жетілдіріліп келеді. Төлем системасындағы есеп айырысу операциялары экономикадағы ақша массасы мен оның қозғалысын реттеуге және оған бақылау жасауға ықпал ет...
12295. Бастапқы құжаттарды ұйымдастыру 113.5 KB
  Кіріспе Бухгалтерлік құжат –шаруашылық операцияларын жүзеге асыруға арналған жазбаша өнім немесе осы операцияны іс жүзінде атқаруды растау .Құжаттардағы мәліметтер бухгалтерлік есепте ағымдағы шаруашылық операцияларын көрсетуге негіз болады. Сонымен қа...
12296. ДЕПОЗИТТІК ОПЕРАЦИЯЛАР 111.5 KB
  ДЕПОЗИТТІК ОПЕРАЦИЯЛАР 1. Депозиттік операциялар түрлері Банктер өзінің активті операцияларын жүргізу үшін пассивтi операцияларды өткізу нәтижесінде пайда болатын тартылған қаржыларды қолданады. Коммерциялық банктің пассивтi операциял...
12297. Еңбек нарығы 77.5 KB
  Еңбек нарығы Еңбек нарығында бірнеше ерекшеліктер болады. Осында құратын элементтерге жұмысшы күшін иемденетін адамдар жатады. Бұларға психофизиялогиялық әлуметтік мәдени діни саяси және т.б. адамдық қасиеттер тән болады. Осы ерекшеліктер адамдардың мүдделеріне мо...
12298. Кәсіпорын экономикасын талдау 71.5 KB
  ЖОСПАР Кіріспе 1. Еңбекақы төлеудің маңызытүрлері және оларды ұйымдастыру 2. Еңбекақыны жоспарлау және реттеу 3. Еңбекақы жүйелері және нышандары 4. Қорытынды Қолданылған әдебиет ...
12299. Есеп саясаты туралы түсінік және оған қойылатын талаптар 57 KB
  Есеп саясаты туралы түсінік және оған қойылатын талаптар Бухгалтерлік есеп принциптері бойынша кәсіпорынның есеп саясаты деп ұйымның бухгалтерлік есепті жүргізу әдістері мен тәсілдерінің жиынтығын яғни алғашқы бақылау құндық өлшеу ағымдағы топтау мен