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

35123. Проектирование котла-утилизатора, предназначенного для охлаждения конвертированных газов 364.5 KB
  Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов-важнейшая задача, значимость которой все возрастает. Значительная экономия топливно-энергетических ресурсов может быть достигнута при более широком вовлечении в топливно-энергетический баланс страны вторичных энергоресурсов
35124. Розрахунок системи теплопостачання району міста 412.51 KB
  Вибір джерела теплопостачання теплоносія і типу системи теплопостачання. Визначення витрати теплоносія. Тривалість опалювального періоду nв: год Річні витрати тепла на вентиляцію: ГДж рік Річні витрати тепла споживачами: ГДж рік З Вибір джерела теплопостачання теплоносія і типу системи теплопостачання Вибір джерела теплопостачання теплоносія і типу системи теплопостачання залежить головним чином від сумарного теплового навантаження і технологічних споживачів і визначається виходячи з...
35125. Финансовый контроль 79.5 KB
  Понятие и виды финансового контроля. Контрольная функция финансов проявляется в финансовом контроле важнейшем в системе государственного контроля. Специфика финансового контроля состоит в том что финансы одновременно являются объектом и субъектом контроля. В более узком значении контрольная функция состоит в предупреждении и устранении выявленных в результате контроля негативных явлений и фактов дестабилизирующих развитие экономики и финансов наносящих вред интересам государства трудовых коллективов и большинства населения.
35126. Развитие налоговой политики в Республике Беларусь за 2005 год 63.5 KB
  В целях реализации Закона Республики Беларусь О бюджете Республики Беларусь на 2005 год: разработаны и приняты инструктивные документы о порядке исчисления в 2005 году едиными платежами установленных данным законом налогов и сборов взимаемых от фонда заработной платы и из выручки от реализации товаров работ услуг а также о порядке уплаты в 2005 году местных целевых сборов организациями имеющими филиалы представительства и иные обособленные подразделения; определены сроки перечисления в 2005 году налоговыми агентами в доход местных...
35127. Бюджет, финансы и налоговая политика 38 KB
  Успешное решение этих задач будет иметь важное значение при рассмотрении проекта Бюджетного кодекса Республики Беларусь внесение которого планируется в Палату представителей в 2005 году. Принимаемые законы должны быть направлены на повышение результативности бюджетных расходов обеспечение выполнения показателей социальноэкономического развития республики на совершенствование бюджетной политики укрепление местных бюджетов и предоставление им большей самостоятельности. По мнению Постоянной комиссии по бюджету финансам и налоговой политике...
35128. Финансы и их структура 441.5 KB
  Подоходный налог с физических лиц который собирают: параграф 1 Предприятия и учреждения; параграф 2 Налоговые органы. Средства пенсионного фонда образуются из следующих источников: 1 Страховые взносы которые платят все предприятия независимо от формы собственности. При их участии создается ВВП распределяемый внутри предприятия и отраслей хозяйства. Фонды страхования предназначены для возмещения ущерба нанесенного стихийными бедствиями предприятиям и населению а по личному страхованию выплаты застрахованному лицу или его семье...
35129. БЕЛАРУСКАЯ МОВА. ПРАФЕСІЙНАЯ ЛЕКСІКА 1.48 MB
  Лічылася што мова закладзена ў самой біялагічнай сутнасці чалавека і перадаецца ў спадчыну. На самой справе мова зява біялагічная і псіхічная але ў тым сэнсе што ў чалавеку генетычна закладзена здольнасць авалодаць мовай г. Кожны чалавек валодае не мовай увогуле а канкрэтнай мовай ці мовамі што належыць пэўнаму народу. Сацыяльная прырода мовы заключаецца найперш у тым што яна аснова і форма грамадскай свядомасці і разам з тым унікальны і універсальны сродак зносін людзей феномен духоўнай культуры чалавецтва [7].
35130. Расчёт пространственного одноэтажного промышленного здания, оборудованного мостовым краном 414.33 KB
  Список литературы Исходные данные Количество пролетов 3; Длина пролета l1 = 18 м; Длина здания l = 168 м; Несущая конструкция покрытия балка; Шаг колонн 6 м; Высота до верха рельса 84 м; Грузоподъемность крана 15 т; Расчетное сопротивление грунта Rгр =019 МПа; Место строительства г. Расчет крайней колонны Данные для расчета сечений: бетон тяжелый класса B15 подвергнутый тепловой обработке при атмосферном давлении Rb = 85 МПа; Rbt = 075 МПа; Eb = 20500 МПа. Арматура класса АIII d 10 мм RS = RSC =...
35131. Форматирование результатов запроса 82 KB
  Например можно применить следующую команду чтобы увидеть определенные поля таблицы Slespeople упорядоченные по убыванию поля commission comm: SELECT snme comm FROM Slespeople ORDER BY 2 DESC; Мы рассматриваем это свойство ORDER BY для того чтобы продемонстрировать возможность его использования со столбцами выходных данных; эта процедура аналогична применению ORDER BY со столбцами таблицы. Например чтобы подсчитать заявки orders для каждого продавца slespeople и вывести результаты в убывающем порядке: SELECT snum COUNT DISTINCT...