PROCESŲ IR SISTEMŲ VALDYMO PAGRINDAI
PROCESŲ IR SISTEMŲ VALDYMO PAGRINDAI
Referatas
TURINYS
Įvadas 3
1. Pagrindinės procesų valdymo sistemų sąvokos 4
1.1 Kas yra sistema? 4
1.2 Procesų valdymo sistemos samprata 4
1.3 Proceso kintamieji 5
1.4 Valdymo sistemų įrangos elementai (control system hardware) 6
1.5 Atviro ir uždaro kontūro valdymas 7
1.6 Valdymo sistemos konfigūracija 10
1.7 Keletas papildomų valdymo sistemos terminų 12
1.8 Pagrindiniai valdymo sistemos kūrimo principai 12
1.9 Valdomos sistemos dinaminės reakcijos apibrėžimas 13
1.10 Valdiklių reakcijos kreivės 14
1.10.1 Proporcinis valdiklis 15
1.10.2 I valdiklis 15
1.10.3 PI valdiklis 16
1.10.4 PD valdiklis 17
1.10.5. PID valdiklis 17
2. Automatizuotų sistemų kūrimas 19
2.1 Proceso modelio sudarymas 19
2.2 Valdiklio (reguliatoriaus) parinkimas ir parametrų nustatymas 22
2.3 Automatizavimo įrangos parinkimas 24
LITERATŪRA 26
Įvadas
Gamybos procesų automatizavimas yra vvienas iš svarbiausių veiksnių, spartinančių techninę pažangą. Šiuolaikinėmis technikos priemonėmis galima automatizuoti bet kokią gamybos šaką.
Automatika vadinama mokslo ir technikos šaka, apimanti techninių procesų valdymo sistemų, veikiančių žmogui tiesiogiai nedalyvaujant, teoriją ir sukūrimo principus. Automatizacija – kompleksas techninių, organizacinių bei kitokių priemonių gamybos procesams vykdyti, žmogui tiesiogiai nedalyvaujant jų valdyme. Automatizavus gamybos procesus padidėja įrenginių ir technologinių objektų eksploatavimo ekonomiškumas, sumažėja avarijų, pagerėja darbo sąlygos, padidėja darbo našumas, sumažėja suvartojamų medžiagų, darbo ir energijos sąnaudos, gerėja produkcijos kokybė.
Pastaruoju metu stiprėjant eekonominei konkurencijai daugumoje chemijos, biochemijos, naftos perdirbimo, popieriaus, plieno ir t.t. pramonės įmonių efektyvumui didinti vis plačiau diegiami kompiuteriai ir kompiuterių tinklai, kurie naudojami duomenų iš įvairių procesų surinkimui, duomenų apdorojimui, bei šių procesų valdymui.
1. Pagrindinės procesų valdymo sistemų ssąvokos
Šio skyriaus tikslas apžvelgti automatinio valdymo sistemų ir jų taikymo technologinių procesų valdyme pagrindus.
Pagrindiniai šiuolaikinių technologinių procesų tikslai negali būti pasiekti be valdymo sistemų pagalbos. Tai pirmiausia apsprendžia komplikuota šių procesų dinamika. Skyriuje pateikiama procesų kintamųjų klasifikacija, aprašomi valdymo sistemose naudojamos įrangos elementai (jutikliai, siųstuvai, valdikliai, vykdantieji mechanizmai).
Pateikiamos tipinės valdymo sistemos konfigūracijos, kurios gali būti įvairios, priklausomai nuo to, kokia informacija apie procesą yra naudojama priimti valdymo sprendimams ir kaip šie sprendimai yra realizuojami.
1.1 Kas yra sistema?
Valdymo sistema turi įėjimo ir išėjimo kintamuosius. Tokios sistemos reakcija yra aprašoma išėjimo kintamojo nuo įėjimo kintamojo priklausomybe. Tokios priklausomybės tarp vieno ar kelių kintamųjų paprastai aprašomos matematinėmis lygtimis, kurios yra pagrįstos fizikiniais dėsniais. Reakcijas galima nustatyti eksperimentiškai. Valdymo sistemos yra vaizduojamos kaip sstačiakampis su atitinkamais įėjimo ir išėjimo kintamaisiais (1.1 pav.).
1.1 pav. Valdymo sistemos blokinė diagrama
Pagrindinis sistemos, su įėjimo ir išėjimo kintamaisiais, kūrimo ir vaizdavimo blokine schema privalumas yra tas, kad sistemai modeliuoti (kurti) nereikia specialios įrangos, o taip pat galima susidaryti bendrą vaizdą apie visą sistemą. Įvairios valdymo sistemos gali turėti panašias reakcijas ir todėl gali būti nagrinėjamos tuo pačiu būdu.
1.2 Procesų valdymo sistemos samprata
Kad dinaminiai technologiniai procesai efektyviai ir ekonomiškai funkcionuotų juos būtina nuolat stebėti ir pasikeitus sąlygoms atitinkamai keisti mmus dominančius proceso kintamuosius.
Tipinio technologinio proceso valdymo sistemos esmė yra stebėti proceso kintamuosius, rasti sprendimus kaip reguliuoti manipuliuojamus įėjimus ir kaip juos efektyviai realizuoti technologiniame procese, kad gauti pageidaujamą išėjimą. Taigi valdymo sistemos užduotis sąlyginai galime suskirstyti į tris dalis:
• Proceso išėjimo kintamųjų stebėjimas juos matuojant .
• Racionalių proceso valdymo sprendimų (decisions) priėmimas, priklausomai nuo situacijos ir remiantis informacija apie esamą ir pageidaujamą proceso būseną.
• Efektyvus tokių sprendimų įgyvendinimas (implementing) procese.
Kai šių užduočių atlikimą užtikrina žmogus rankiniu būdu, tai kalbama apie rankinio valdymo sistemą (manual control system). Kai tai atliekama automatiniu metodu, t.y. įvairių įrengimų pagalba, tai kalbama apie automatinio valdymo sistemą (automatic control system). Jei tokios sistemos įrengimus valdo kompiuteris, tada visa tai vadinama kompiuterinio valdymo sistema (computer control system). Visoms sistemoms, išskyrus rankinio valdymo (su tam tikromis išimtimis) reikalinga tam tikra įranga, kuri užtikrintų tikslų, aukščiau minėtų užduočių, atlikimą.
1.3 Proceso kintamieji
Susipažinsime su technologinių procesų valdymo sistemų pagrindais. Tipiškas technologinis procesas paprastai charakterizuojamas tokiais kintamaisiais kaip temperatūra, medžiagų srautais įtekančiais ar ištekančiais iš talpų, slėgiu, mišinių sudėtimi ir t.t. Šie dydžiai vadinami proceso kintamaisiais.
Šie kintamieji gali būti klasifikuojami į kintamuosius tiesiog suteikiančius informaciją apie proceso sąlygas ir į kintamuosius galinčius pakeisti proceso sąlygas. Pradžioje panagrinėsime dvi procesų kintamųjų kategorijas: proceso įėjimus iir išėjimus.
Įėjimo kintamieji (input variables) yra tie kintamieji, kurie nepriklausomai vienas nuo kito veikia sistemą ir tuo būdu sąlygoja proceso būsenos pasikeitimą.
Išėjimo kintamieji (output variables) yra tie kintamieji, kurie suteikia informaciją apie proceso būseną.
Charakterizuojant procesų valdymo sistemas priimta išskirti būsenos (state) kintamuosius ir atskirti juos nuo išėjimo kintamųjų. Būsenos kintamieji (state variables) paprastai apibrėžiami kaip: minimalus kintamųjų rinkinys, kurio pakanka pilnai charakterizuoti vidinei proceso būsenai.
Būsenos kintamieji yra tie kintamieji, kurie atspindi vidinę sistemos būseną (internal state). Proceso būseną atspindintys matavimai yra proceso išėjimai. Taigi, vieno ar kelių vidinės būsenos kintamųjų matavimai yra išėjimo kintamieji.
Ši problema iškyla daugelyje sistemų ir įrenginių taikomų įvairiose technologijose. Kintamasis, kuris yra valdymo objekto išėjimo dydis, yra vadinamas valdomuoju kintamuoju. Keletas valdomojo kintamojo pavyzdžių:
Slėgis pneumatiniame akumuliatoriuje;
Slėgis hidrauliniame prese;
Galvanizavimo talpos temperatūra;
Aušinimo skysčio srautas šilumokaityje;
Medžiagos koncentracija maišymosi inde.
Sekančiame lygyje įėjimo kintamuosius galima klasifikuoti į:
• manipuliojamus kintamuosius (manipulated variables), t.y. tokius, kurių vertes mes galime keisti. Valdomasis kintamasis bet kokioje sistemoje gali būti veikiamas įvairių įėjimo signalų. Toks poveikis, dėka kurio valdomasis kintamasis keičiamas taip, kad atitiktų nustatytą vertę (pageidaujamą vertę), yra vadinamas valdančiuoju kintamuoju. Keletas valdančiojo kintamojo pavyzdžių:
Ventiliavimo sklendės padėtis oro rezervuare;
Elektrinio šildytuvo įtampa galvanizavimo vonioje
Valdomos sklendės padėtis aušinimo skysčio tiekimo linijoje
Sklendės padėtis cheminių medžiagų tiekimo linijoje
Inkaro įtampa nuolatinės ssrovės variklyje.
• trikdžius (disturbance variables), t.y. tokius kintamuosius, kurie yra visiškai nepriklausomi, jų valdyti negalima.
Reikia pažymėti, kad tik tam tikra dalis kintamųjų (išėjimo ar įėjimo) gali būti išmatuoti, tuo tarpu tam tikra dalis – ne. Tie proceso kintamieji, kuriuos galima išmatuoti tiesioginiais matavimais, yra vadinami matuojamais kintamaisiais (measured variables), likę kintamieji vadinami nematuojamais kintamaisiais (unmeasured variables). Visą minėtą klasifikaciją iliustruoja 1.2 pav.
1.2 pav. Technologinio proceso kintamieji
Nepaisant to, kad išėjimo kintamieji yra apibrėžti kaip matuojami, galimi atvejai, kai išėjimo kintamieji nėra matuojami tiesiogiai (technologiniame procese neįdiegta tam reikalinga įranga), o kartais imami pavyzdžiai ir apdorojami laboratorijose ir pan. Taigi, valdymo sistemų kūrime tokie išėjimai, kurie yra matuojami nepakankamai dažnai, kad procesą būtų galima valdyti, yra laikomi nematuojamais (neišmatuojamais).
1.4 Valdymo sistemų įrangos elementai (control system hardware)
Įrangos elementai, kurie naudojami matavimo, sprendimų priėmimo ir reguliavimo veiksmų atlikimui yra skirstomi į tokias kategorijas: jutikliai, valdikliai, perdavimo įtaisai ir vykdantieji mechanizmai.
Jutikliai (sensors). Pirmai užduočiai, t.y. informacijos apie išėjimo kintamųjų būklę nustatymui, atlikti yra naudojami jutikliai, dar vadinami matavimo prietaisais (measuring devices) arba pirminiais elementais (primary elements). Daugiausiai technologinių procesų valdymo sistemose yra naudojami slėgio, temperatūros, lygio, debito ar masės srauto ir medžiagų sudėties matavimo prietaisai. Tipiniai pavyzdžiai: termoporos (temperatūros matavimams), diferencialiniai slėgio elementai
(skysčio lygiui matuoti), dujų/skysčio chromatografai (medžiagos sudėčiai matuoti).
Valdikliai (controllers). Elementas, priimantis valdymo sistemoje sprendimus, vadinamas valdikliu. Valdiklis yra visos valdymo sistemos kertinis elementas, kuriame padedant sumontuotai įrangai atliekamos užduotys reikalaujančios tam tikro ‘intelekto’. Valdiklio įranga gali būti pneumatinės (operuojama suspausto oro signalais) arba elektrinės (operuojama elektriniais signalais) prigimties. Šiuolaikinėse technologinių procesų valdymo sistemose labiau paplitę yra elektroniniai valdikliai. Pneumatiniai ir elektroniniai valdikliai yra naudojami palyginti paprastoms operacijoms atlikti. Sudėtingoms valdymo operacijoms atlikti kaip valdikliai yra naudojami skaitmeniniai kompiuteriai.
Perdavimo įtaisai (transmitters). SSignalams iš jutiklių į valdiklius ir atvirkščiai perduoti yra naudojami perdavimo įtaisai.Valdymo signalai gali būti perduodami kaip suslėgto oro signalai arba kaip elektriniai signalai. Pneumatiniai perdavimo įtaisai yra naudojami pirmuoju atveju, o elektriniai perdavimo įtaisai – antruoju.
Vykdymo elementai (final control elements). Vykdymo elementai vykdo komandas, kurias duoda valdikliai. Prie tokių elementų yra priskiriami įvairūs valdymo vožtuvai (paprastai pneumatiniai). Jie būna įvairių dydžių ir formų, taip pat, priklausomai nuo atliekamos operacijos, gali būti kelių padėčių. Prie galutinių valdymo elementų dar ppriskiriami: reguliuojamo greičio ventiliatoriai, siurbliai ir kompresoriai, transporteriai ir reliniai jungikliai.
Kiti įrangos elementai (other hardware elements). Siunčiant informaciją iš proceso į valdiklį ir atgal, dažnai susiduriama su signalų konvertavimo iš vieno tipo į kitą problema. Pavyzdžiui, reikia elektroninio valdiklio elektrinį ssignalą versti į pneumatinį valdymo vožtuvo signalą. Elementai, kurių pagalba atliekamas toks signalų konvertavimas, vadinami signalo keitikliais (transducers). Jie būna įvairių tipų ir pritaikomi įvairioms signalų transformacijoms. Sistemoms, kuriose naudojami kompiuteriai, reikalingi analoginiai – skaitmeniniai, A/S (Analog-to-Digital, A/D) ir skaitmeniniai – analoginiai, S/A (Digital-to-Analog, D/A) signalo keitikliai. Jie reikalingi todėl, kad visoje valdymo sistemoje yra naudojami analoginiai signalai (elektros įtampa arba pneumatinis slėgis), o kompiuteris gali priimti ir išsiųsti tik skaitmeninius signalus (binarinius skaičius). A/S keitikliai verčia informaciją apie procesą į kompiuteriui suprantamą signalą, o S/A keitiklių pagalba kompiuterio komandos yra pateikiamos procesui.
1.5 Atviro ir uždaro kontūro valdymas
Išsiaiškinus „valdymo sistemos“ sąvoką lieka apibrėžti uždarojo kontūro ir suprasti skirtumą tarp atvirojo ir uždarojo kontūro valdymo.
Tokie kintamieji kaip slėgis, temperatūra ar srautas ddažnai turi būti reguliuojami (valdomi) dideliuose įrenginiuose ar sistemose. Reguliavimas neturi keistis net ir tada, kai atsiranda kažkokių sistemos sutrikimų. Toks reguliavimas dažniausiai atliekamas uždarojo kontūro valdikliu. Valdymo inžinerija sprendžia visas problemas, kurios susijusios su tokiu reguliavimu. Valdomas kintamasis iš pradžių yra išmatuojamas. Po to sukuriamas elektrinis signalas, kuris leidžia nepriklausomam uždarojo kontūro valdikliui valdyti kintamąjį.
Išmatuota vertė valdiklyje yra palyginama su pageidaujama kintamojo verte ar pageidaujamos vertės kreive. Šio palyginimo rezultatas apsprendžia, kokie veiksmai turėtų būti atlikti. Galiausiai, reikia rasti ttinkamą vietą sistemoje, kur būtų galima paveikti valdomąjį dydį (pavyzdžiui. šildymo sistemos vykdiklis), Todėl būtina žinoti ir suprasti sistemos elgseną. Uždarojo kontūro sistemos yra universalios, t.y. jos gali būti taikomos įvairioms technologijoms.
Uždarasis kontūras yra sudarytas iš visų automatiniam uždarajam valdymo kontūrui reikalingų elementų (1.3 pav.)
1.3 pav. Uždarojo valdymo kontūro blokinė schema
Standartas DIN19 226 apibrėžia atvirojo kontūro valdymą kaip procesą, kuris vyksta sistemoje, kurioje vienas ar keli įėjimo kintamieji veikia sistemos išėjimo kintamuosius priklausomai nuo sistemos charakteristikos.
Skiriamasis atvirojo kontūro valdymo bruožas yra tas, kad tokiame kontūre išėjimo kintamasis neturi jokios įtakos įėjimo kintamajam.
Pavyzdys:
Tūrio srautas yra nustatomas reguliavimo sklende, esant pastoviam slėgiui, tūrio srautas tiesiogiai priklauso nuo reguliavimo sklendės padėties. Priklausomybė tarp reguliavimo sklendės ir tūrio srauto yra nustatomas arba fizikinėmis lygtimis, arba eksperimentiškai. Tokiu būdu gauname sistema kuris susideda iš tokių sudedamųjų dalių: „sklendė“ ir išėjimo kintamasis“tūrio srautas“, bei įėjimo kintamasis „reguliavimo sklendės nuostatas“(1.4 pav).
1.4 pav. Tūrio srauto nustatymas atvirojo kontūro valdymu
Ši sistema gali būti valdoma nustatant reguliavimo sklendės padėtį. Tuo būdu nustatomas pageidaujamas tūrio srautas. Tačiau jei tiekiamas slėgis yra nepastovaus dydžio, tai tūrio srautas bus taip pat nepastovaus dydžio. Šioje atviroje sistemoje nustatymas atliekamas rankiniu būdu. Norint, kad sistema būtų atliekama automatiškai, tai sistema turi turėti uždarąjį valdymo kontūrą.
Standartas DDIN 19226 apibrėžia uždarojo valdymo kontūrą kaip procesą, kuriame valdomasis kintamasis yra nuolat stebimas ir lyginamas su nustatytu kintamuoju (nuostatu). Nuo šio palyginimo rezultato priklauso, kaip bus paveiktas sistemos įėjimo kintamasis, kad būtų gautas pageidaujamas išėjimo kintamasis, nepaisant įvairių trikdžių. Šį teorinį apibrėžimą paaiškinsime remiantis tūrio srauto nustatymo pavyzdžiu.
Tarkime, kad turime palaikyti išėjimo kintamojo dydį (išėjimo kintamasis), kuris atitiktų nuostatą (nustatytąjį kintamąjį). Iš pradžių atliekamas matavimas, kuris verčiamas elektriniu signalu. Šis signalas perduodamas į valdiklį ir palyginamas su nustatyta verte. Palyginimas vyksta atimant išmatuotą dydį iš nustatytojo. Gautas rezultatas vadinamas nuokrypiu. Tam, kad, įvertinus nuokrypį, automatiškai būtų valdoma reguliavimo sklendė, reikalingas elektros variklis. Šiuo atveju elektros variklis yra vadinamas valdančiuoju elementu, kuriuo galima valdyti valdomąjį kintamąjį. (1.5 pav.).
1.5 pav. Tūrio srauto valdymas uždaruoju valdymo kontūru
Valdiklis perduoda signalą vykdančiajam elementui, priklausomai nuo nuokrypio. Jei nuokrypio dydis yra didelis ir neigiamas, vadinasi išmatuotas tūrio srautas yra didesnis nei nustatyta vertė (nustatyto kintamojo vertė), todėl sklendė yra priveriama. Jei nuokrypio vertė yra didelė ir teigiama, vadinasi išmatuotas tūrio srautas yra mažesnis nei pageidaujamas, todėl sklendė yra atidaroma. Tiksliai nepavyksta nustatyti (palaikyti) išėjimo kintamąjį:
• Jei poveikis sistemai yra staigus ir didelis, tai įtaka sistemos įėjimo kintamajam yra labai didelė. Tai lemia didelius svyravimus išėjime;
• Jei ppoveikis sistemai yra lėtas ir nedidelis, tai išėjimo kintamasis tiktai aproksimuos pageidaujamą vertę.
Be to, skirtingoms sistemoms (valdymo sistemoms) yra taikoma skirtinga valdymo strategija. Sistemos, kurių reakcija yra lėta, turi būti derinamos atsargiai ir apgalvotai, iš anksto numatant galimas pasekmes. Ir tai tik viena iš daugelio valdymo inžinerijos problemų, su kuriomis susiduria inžinieriai kurdami uždarojo valdymo kontūro sistemas. Uždarojo valdymo kontūro sistemos kūrimo etapai:
• Nustatyti valdantįjį kintamąjį (tuo pačiu apibrėžti valdomąją sistemą);
• Nustatyti valdomosios sistemos elgseną;
• Nustatyti valdomosios sistemos valdymo strategiją (valdiklio elgseną);
• Parinkti tinkamus matavimo ir valdymo elementus.
1.6 Valdymo sistemos konfigūracija
Priklausomai nuo ryšių tarp sprendimų priėmimo ir informacijos surinkimo bei sprendimų įgyvendinimo struktūros, proceso valdymo sistemos konfigūracija gali turėti kelis skirtingus variantus. Supažindinsime su labiausiai paplitusiais procesų valdymo sistemų konfigūracijos variantais.
Valdymo sistema su grįžtamuoju ryšiu (feedback control). Valdymo sistemos pavaizduotos 1.6 pav. esmė yra ta, kad išmatuota objekto išėjimo reikšmė yra gražinama, pateikiama valdikliui. Sprendimai, kurie priimami remiantis tokia grįžtamojo ryšio informacija, vėliau yra realizuojami proceso valdymo sistemoje. Todėl tokios sistemos vadinamos grįžtamojo ryšio valdymo sistemomis (feedback control systems). Tokios struktūros sistemos yra vienos iš paprasčiausių ir labiausiai paplitusių technologinių procesų valdymo sistemų. Svarbu atkreipti dėmesį į tai, kad šiuo atveju naudojant informaciją apie esamą proceso būseną yra priimamas
sprendimas, kaip pakeisti įėjimo kintamąjį, kad ši būsena pasikeistų. Esant tokiai valdymo sistemos struktūrai, trikdis veikiantis procesą pirmiausia turi paveikti proceso išėjimą, kad galėtume formuoti valdantį poveikį įėjime, t.y. valdiklio sprendimai yra priimami ‘post-factum’
1.6 pav. Grįžtamojo ryšio valdymo sistemos konfigūracija
Valdymo sistema su trikdžio kompensavimu (feedforward control). 1.7 pav. pavaizduota situacija, kai apie trikdį yra sprendžiama ne iš išėjimo, o informacija apie jį yra siunčiama tiesiai į valdiklį. Esant tokiai valdymo sistemos konfigūracijai, valdiklio sprendimas yra priimamas dar prieš trikdžiui ppaveikiant procesą (sprendimas į priekį, ‘feed forward’). Šios sistemos vadinamos valdymo sistemos su trikdžio kompensavimu, kadangi jose valdiklis informaciją apie trikdį gauna anksčiau negu trikdis paveikia procesą, tuo pačiu bandoma kompensuoti trikdžio poveikį procesui.
1.7 pav. Valdymo sistema su trikdžio kompensavimu
Pagrindinė tokios valdymo sistemos konfigūracijos savybė yra trikdžio matavimas vietoje išėjimo kintamojo, kurį norime reguliuoti, matavimo. Ši savybė yra pagrindinis tokios sistemos privalumas. Pagrindinis sistemos trūkumas – valdiklis negauna informacijos apie pagrindinį proceso kintamąjį, kurį reikia reguliuoti.
Taigi, valdiklis gauna informacija apie ttrikdį ir kompensuoja jį (remdamasis apytikriu proceso matematiniu modeliu) dar šiam nepaveikus proceso. Deja valdiklis negali nustatyti tokios kompensacijos efektyvumo, kadangi informacija apie proceso išėjimą į valdiklį nėra teikiama. Tai yra vienas didžiausių tokių sistemų trūkumų.
Programinio valdymo sistema (open-loop control). KKaip parodyta 1.8 pav. šiuo atveju valdiklio priimami sprendimai nepriklauso nei nuo proceso būsenos nei nuo trikdžių. Valdiklio sprendimai yra iš anksto suprogramuota proceso valdymo strategija. Tokiu principu veikianti valdymo sistema vadinama programinio valdymo sistema.
1.8 pav. Programinės valdymo sistemos konfigūracija
Taip sistema vadinama todėl, kad valdiklis priima sprendimus neteikiant pirmenybės jokiai informacijai apie įėjimo ir išėjimo kintamuosius, t.y. informacijos srauto iš proceso į valdiklį nėra ir ‘uždaras ratas’, kaip grįžtamojo ryšio valdymo sistemos atveju, nesusidaro. Vienas iš labiausiai paplitusių tokios atviros valdymo sistemos pavyzdžių yra paprastas laiko relės pagrindu veikiantis įrenginys naudojamas šviesoforuose. Pagal autotransporto srautų dydį laiko relė nustatoma taip, kad raudonas, geltonas ar žalias šviesoforo signalas degtų nustatytą laiką.
Šiuolaikinės technologinių procesų valdymo sistemos dažniausiai būna kombinuotos, tai yra jų eefektyvumui didinti įvairiai kombinuojami sistemų su grįžtamuoju ryšių, sistemų su trykdžio kompensavimu ir programinio valdymo sistemų elementai.
1.7 Keletas papildomų valdymo sistemos terminų
Svarbiausi proceso kintamieji, kuriais operuoja valdymo sistema turi tam tikras reikšmes, kurias reikia pastoviai palaikyti. Tos reikšmės dar yra vadinamos uždavimo reikšmės (set points). Tokių iš anksto užduotų reikšmių palaikymas yra pagrindinis proceso valdymo (rankinės ar automatinės) sistemos tikslas. Nepaisant to, išėjimo reikšmės nukrypsta nuo joms nustatytų uždavimo reikšmių dėl:
• trikdžių poveikio,
• uždavimo reikšmių pakeitimo proceso metu.
Kai valdymo sistema tiktai kkompensuoja trikdį ir tuo būdu palaiko išėjimo reikšmę ties jos uždavimo reikšme, toks valdymas vadinamas reguliavimas trikdžio atžvilgiu (regulatory control). Kai valdymo sistemos tikslas yra valdyti proceso išėjimą taip, kad galimai tiksliau būtų sekama kintanti uždavimo reikšmė, tai toks valdymas vadinamas reguliavimas uždavimo atžvilgiu (servo control), 1.9 pav.
1.9 pav. Galimos proceso reakcijos esant (a) uždavimo pokyčiui ir (b) trykdžiui.
1.8 Pagrindiniai valdymo sistemos kūrimo principai
Efektyvių valdymo sistemos kūrimas yra pagrindinis procesų valdymo inžinieriaus tikslas Žemiau pateikiami etapai ir principai, kurių būtina laikytis kuriant efektyviai veikiančias valdymo sistemas.
1 etapas. Proceso įvertinimas ir valdymo tikslų nustatymas. Pagrindiniai klausimai keliami sprendžiant šio etapo uždavinius
o Kodėl šiam procesui reikalingas automatinis valdymas?
o Ar problema gali būti išspręsta tiktai automatinio valdymo metodais,gal būt yra kokių nors technologinių alternatyvų (pvz. kokios nors proceso dalies pertvarkymas (redesign))?
o Ko tikimąsi iš valdymo sistemos?
2 etapas. Pasirenkami proceso kintamieji, kurie bus naudojami pasiekti valdymo sistemos tikslams, aiškiai apibrėžtiems 1-jame etape. Šiame etape reikėtų rasti atsakymus į sekančius klausimus:
o Kurie išėjimo kintamieji yra lemiami ir todėl turi būti matuojami, kad užtikrinti efektyvų proceso stebėjimą?
o Kurie trikdžiai yra svarbiausi? Kuriuos trikdžius galima išmatuoti?
o Kuriuos kintamuosius galima keisti, kad užtikrinti efektyvų proceso reguliavimą?
3 etapas. Valdymo struktūros parinkimas. Valdymo sistemos struktūros pasirinkimas priklauso nuo valdymo uždavinio, keliamo technologiniam procesui, prigimties. Paprastai nnaudojamos valdymo sistemos su grįžtamuoju ryšiu, sistemos su trikdžio kompensavimo įtaisu, programinio valdymo sistemos ir įvairios šių sistemų kombinacijos.
4 etapas. Valdiklio algoritmo kūrimas (controller design). Šiame etape reikia nustatyti reguliavimo dėsnį kuriuo remiantis, pagal surinktą informaciją (esamos ir prieš tai buvusios išėjimo reikšmės, buvusios įėjimo reikšmės, trikdžių reikšmės, prognozuojamos išėjimo reikšmės), yra atliekamas sprendimas, kurį valdiklis realizuoja nustatydamas tam tikras įėjimo kintamųjų reikšmes.
Norint išspręsti kiekviename etape numatytas užduotis ir sėkmingai sukurti proceso valdymo sistemą procesų valdymo inžinieriui reikia pilnai suprasti visą technologinį procesą, o taip pat žinoti pagrindinius procesų dinamikos ir valdymo principus. Efektyvių valdiklių projektavimas yra pagrindinis uždavinys, kurį reikia išspręsti, norint sėkmingai valdyti procesus chemijos, biochemijos, energetikos ir kitose pramonės šakose. Šis uždavinys palengvėja, jei suprantame proceso statines priklausomybes (steady state behaviour) ir proceso dinamiką.
1.9 Valdomos sistemos dinaminės reakcijos apibrėžimas
Priimant racionalius proceso valdymo sprendimus, reikia žinoti, kaip proceso išėjimai reaguoja į proceso įėjimus. Ši problema yra pagrindinė kalbant apie procesų dinamiką. Dėl šios priežasties procesų dinamikos pagrindai turi būti nagrinėjami prieš pasirenkant procesų valdymo algoritmus. Nagrinėjant procesų dinamiką, svarbu turėti kokias nors kiekybines proceso būsenos charakteristikas, tam šiuo metu dažniausiai naudojami procesų matematiniai modeliai.
Sistemos dinaminė reakcija (dar vadinama reakcijos kreive – time respond) yra labai svarbus aspektas. TTai yra išėjimo kintamojo (valdomojo kintamojo) charakteristika laikui bėgant, kuri priklauso nuo įėjimo kintamojo pokyčio. Ypač svarbi yra sistemos būsena, kai keičiamas valdantysis kintamasis.
Valdymo inžinierius turi suvokti, kad beveik visos sistemos turi charakteringą dinaminę reakciją.
Sistemos reakcija į įėjimo kintamojo staigų pasikeitimą yra vadinama šuoline reakcija. Bet kokia sistema gali būti charakterizuojama tos siste¬mos šuoline funkcija. Šuolinė funkcija tai pat leidžia aprašyti sistemą matematinėmis formulėmis.
Ši sistemos reakcija dar žinoma kaip dinaminė reakcija. Čia valdantysis kintamasis y yra staigiai padidinamas. Šuolinė valdomojo kintamojo x reakcija yra nusistovintis procesas su pereinamojo proceso faze.
Tokia sistemos charakteristika, kai sistemos būsena yra pusiausvyroje, vadinama statine būsena.
Kai nei vienas iš sistemos kintamųjų nekinta per tam tikrą laiko tarpą, tada yra sistemos statinė būsena. Kada sistema nusistovi, tada yra pasiekiama pusiausvyra. Tokia būsena gali būti palaikoma neribotą laiką. Išėjimo kintamasis vis dar priklauso nuo įėjimo kintamojo – ši priklausomybė yra nusakoma sistemos charakteristika.
Pagal charakteristiką galima nuspręsti ar sistema yra tiesinė ar netiesinė. Jei charakteristika yra tiesi linija – sistema yra tiesinė. Daugelis valdomųjų sistemų sutinkamų praktikoje yra netiesinės. Tačiau jas galima aproksimuoti tiesinėmis charakteristikomis jų veikimo ribose.
1.10 Valdiklių reakcijos kreivės
Valdomąją sistemą valdo valdiklis (reguliatorius). Apžvelgėme, kad valdomosios sitemos gali turėti įvairias reakcijas. Vienos sistemos reaguoja staiga, kitos lėtai,
arba turi kaupiamų savybių. Kiekvienai tokiai sistemai valdomojo kintamojo pokytis yra perduodamas skirtingai, todėl yra įvairių tipų valdiklių, su skirtingomis valdymo rakcijomis. Valdymo inžinieriaus užduotis – parinkti tokį reguliatorių, kurio valdymo reakcija labiausiai tiktų valdomąjai sistemai.
Valdymo reakcija yra būdas, kuriuo valdiklis išveda valdantįjį kintamąjį iš sistemos nuokrypio. Valdikliai skirstomi į dvi plačias grupes; tolydaus veikimo valdikliai ir netolydaus veikimo valdikliai.
Tolydaus veikimo valdiklyje valdantysis kintamasis kinta pastoviai ir priklausomai nuo sistemos nuokrypio. Tokio tipo valdikliai perduoda sistemos nuokrypos vertę kaip ttiesioginį veikiantįjį signalą valdančiajam elementui. Netolydaus veikimo valdiklio valdantysis kintamasis gali būti keičiamas nustatytais žingsniais. Geriausiai žinomas tokio tipo reguliatorius yra dviejų padėčių „Įjungta“ – „Išjungta“. Pavyzdžiui – lygintuvo termostatas. Elektros srovė kaitinimo elementui paduodama arba nepaduodama priklausomai nuo temperatūros.
Aptarsime tolydaus veikimo valdiklius.
Bet kokia sistema turi reakcijos kreives. Reakcijos kreivės priklauso nuo įrenginio sudėties (sandaros) ir negali būti kažkaip paveikta valdymo inžinieriaus. Valdomosios sistemos reakcijos kreivės yra nustatomos eksperimentiškai arba teoriškai. Valdiklis taip pat yra sistema ir turi savo rreakcijos kreives. Šiuo atveju reakcijos kreivę nustato valdymo inžinierius tam, kad pasiektų geresnių valdymo rezultatų. Tolydaus veikimo valdiklio reakcijos kreivės yra nustatomos trims komponentams:
• Proporcinis komponentas (P komponentas)
• Integralinis komponentas (I komponentas)
• Diferencialinis komponentas (D komponentas).
Minėtieji komponentai rodo, kokiu būdu iš sistemos nuokrypio yyra apskaičiuojamas (gaunamas) valdantysis kintamasis.
1.10.1 Proporcinis valdiklis
Proporcinio reguliatoriaus atveju, vykdantysis signalas yra proporcingas sistemos nuokrypiui. Jei sistemos nuokrypis yra didelis, tai valdančiojo kintamojo vertė taip pat yra didelė. Jei sistemos nuokrypis yra mažas, tai ir valdančio kintamojo vertė yra nedidelė. P reguliatoriaus reakcija idealiomis sąlygomis yra lygiai tokia pati kaip ir įėjimo kintamasis 1.10 pav.).
1.10 pav. P valdiklio reakcijos kreivė
Valdančiojo kintamojo ir sistemos nuokrypio priklausomybė yra proporcingumo koeficientas arba proporcingas stiprinimas. Šie dydžiai žymimi xp, Kp, ar panašiai. Šiuos dydžius galima nustatyti P reguliatoriuje. Pagal juos apibrėžiama, kaip valdantysis kintamasis yra apskaičiuojamas iš sistemos nuokrypio. Proporcingas stiprinimas yra apskaičiuojamas taip:
Kp = y0 / x0;
Jei stiprinimas yra per didelis, tai valdiklis sąlygos labai didelius valdančiojo kintamojo pokyčius esant nedideliems valdomo kintamojo nnuokrypiams. Jei stiprinimas yra mažas, tai reguliatoriaus reakcija bus silpna ir valdymas bus neefektyvus. Sistemos nuokrypio šuolis sąlygos išėjimo kintamojo šuolio atsiradimą. Šio šuolio dydis priklausys nuo stiprinimo. Praktiškai, valdikliai dažnai turi vėlavimo laiką. Valdančiojo kintamojo dydis nekinta tol, kol nepraeina tam tikras laikas po sistemos nuokrypio pasikeitimo. Elektriniuose reguliatoriuose vėlavimo trukmę paprastai galima nustatyti. Svarbi P reguliatoriaus savybė yra ta, kad dėl tiesinės priklausomybės tarp sistemos nuokrypio ir valdančiojo kintamojo, sistemos nuokrypis visada egzistuos. P valdiklis negali panaikinti šio ssistemos liekamojo nuokrypio.
1.10.2 I valdiklis
Integralinio veikimo valdiklis atlieka sistemos nuokrypio sudėties veiksmą laikui bėgant – t.y. integruoja jį. Todėl valdančiojo kintamojo kitimo greitis (ne dydis) yra proporcingas sistemos nuokrypiui. Tai galime iliustruoti I reguliatoriaus šuoline reakcija: Jei sistemos nuokrypis staiga padidėja, tai valdantysis kintamasis kinta tolygiai ir pastoviai. Kuo didesnis sistemos nuokrypis, tuo staigesnis valdančio kintamojo padidėjimas (1.11 pav.).
1.11 pav. I valdiklio reakcijos kreivė
Todėl I valdiklis nėra tinkamas pilnai kompensuoti liekamąjį siste¬mos nuokrypį. Jei sistemos nuokrypis yra didelis, tai valdantysis kinta¬masis kinta greitai. Dėl to, sistemos nuokrypis sumažėja ir valdantysis kintamasis kinta žymiai lėčiau. Iki tol, kol pasiekiama pusiausvyra. Reikia pridurti, kad „grynas“ l valdiklis yra netinkamas daugumai valdymo sistemų, kadangi jis sąlygoja svyravimų atsiradimą uždarame kontūre arba per lėtai reaguoja į sistemos nuokrypio pokyčius. Praktiko¬je l valdikliai beveik nesutinkami.
1.10.3 PI valdiklis
PI valdiklis derina savyje P ir I reguliatorių elgseną. Tai įgalina suderinti abiejų reguliatorių tipų privalumus: greitą reakciją ir visišką liekamojo sistemos nuokrypio kompensavimą. Dėl šios priežasties PI valdikliai gali būti taikomi daugumoje valdymo sistemų. Be stiprinimo PI valdiklis turi dar vieną charakteringą dydį, kuris apibūdina I komponentą – izodromo laiką (the reset time).
Izodromo laiku nusakoma kaip greitai valdiklis nustato valdantįjį kintamąjį (kartu su valdančiuoju kintamuoju, kurį sugeneruoja PP komponentas) tam, kad kompensuoti liekamąjį sistemos nuokrypį. Kitaip tariant, izodromo laikas yra periodas, per kurį PI valdiklis suveikia greičiau nei I valdiklis. PI reguliatoriaus reakcijos kreivė pavaizduota 1.12 pav.
1.12 pav. PI valdiklio reakcijos kreivė
izodromo laikas yra stiprinimo Kp funkcija, kadangi valdantysis kintamasis kinta greičiau, kai stiprinimas yra didesnis. Kai izodromo laikas yra ilgas, tai integravimo komponento įtaka yra nedidelė, kadangi sistemos nuokrypio sumavimas vyksta gana lėtai. Integravimo komponento įtaka yra didelė, jei izodromo laikas yra trumpas.
PI reguliatoriaus efektyvumas didėja, jei didėja stiprinimas Kp ir didėja I komponentas (t.y. trumpėja izodromo laikas). Tačiau jei šie dydžiai yra labai dideli, tai valdiklio poveikis gali būti per stiprus ir uždarajame kontūre atsiras svyravimai. Reakcija tokiu atveju yra nestabili. Taškas, kuriame prasideda svyravimai yra skirtingas atskiroms sistemoms ir turi būti nustatytas atskirai.
1.10.4 PD valdiklis
PD reguliatorių sudaro proporcingo ir diferencialinio veikimo derinys. Diferencijavimo dedamoji nusako kokiu greičiu kinta sistemos nuokrypis. Kuo didesnis kitimo greitis (sistemos nuokrypio dydis per tam tikrą laiką), tuo didesnis diferencialinis komponentas.
Kartu su P reguliatoriaus reakcija į sistemos nuokrypį, į didelius sistemų nuokrypius yra reaguojama greitai. Tai yra išreiškiama diferencialinio veikimo laiku (paankstinimo laiku (rate time)).
Diferencialinio veikimo laiku Td nusakoma kiek PD valdiklis greičiau kompensuoja valdantįjį kintamąjį nei P valdiklis. Valdančiojo kkintamojo šuolis kompensuoja didelę dalį sistemos nuokrypio, kai tuo tarpu P valdiklis dar nebus pasiekęs tokios vertės. Todėl P komponentas reaguoja greičiau per tokį laiko tarpą, kuris yra lygus diferencialinio veikimo laikui (paankstinimo laikui (rate time)).
1.13 pav. PD valdiklio reakcijos kreivė
PD valdikliai retai taikomi dėl dviejų neigiamų savybių. Visų pirma, jie negali pilnai kompensuoti liekamojo sistemos nuokrypio. Antra, kiek didesnė nei reikalinga D komponento įtaka sąlygoja uždarojo kontūro nestabilumus. Tokiu atveju valdymo sistema yra linkusi svyruoti.
1.10.5. PID valdiklis
Be PI reguliatoriaus savybių, PID valdiklis turi D komponentą. Tas įgalina įvertinti sistemos nuokrypio pasikeitimo greitį. Jei sistemos nuokrypis yra didelis, tai D komponentas užtikrina momen¬tinį ir labai didelį valdančiojo kintamojo pokytį. Po to komponento D įtaka sumažėja labai greitai, o I komponento įtaka didėja iš lėto. Jei sistemos nuokrypio pokytis yra nedidelis, tai D komponento įtaka yra taip pat labai nedidelė.
Tokia elgsena turi greitos reakcijos ir greitos sistemos nuokrypio kompensacijos privalumus. Trūkumas yra tas, kad valdymo kontūras tokiu atveju yra labiau linkęs į svyravimus. PID reguliatoriaus reakcijos kreivė pavaizduota 1.14 pav.
Dėl D komponento, šio tipo valdikliai yra greitesni nei P ar PI valdikliai. Tai galima spręsti vien pagal Td laiką. Diferencialinio veikimo laikas yra toks laiko tarpas,
per kurį PID valdiklis suveikia greičiau nei PI valdiklis.
1.14 pav. PID valdiklio reakcijos kreivė
2. Automatizuotų sistemų kūrimas
Kalbėsime apie uždarą valdymo sistemą. Viena iš pagrindinių užduočių, kuriant automatizuotą sistemą, neabejotinai yra sukurtos uždarosios valdymo sistemos modelio sudarymas ir pritaikymas (derinimas) naudojimui. Technologinio proceso automatizavimo požiūriu, uždarojo valdymo kontūro pritaikymas (derinimas) naudojimui yra svarbiausia užduotis. Toliau apžvelgsime pagrindinius šios problemos sprendimo aspektus.
2.1 Proceso modelio sudarymas
Tam, kad būtų galima išspręsti automatizavimo uždavinius (uždarojo valdymo kontūro sudarymas ir pritaikymas (derinimas) naudojimui), yra svarbu turėti kkuo daugiau išsamios informacijos apie automatizuojamų procesų statines ir dinamines charakteristikas. Sprendimo kokybė labai priklauso nuo kokybinės ir kiekybinės informacijos apie automatizuojamą technologinį procesą. Nuo to taip pat priklauso valdymo algoritmų tikslumas, įrengimų bei programinės įrangos, naudojamos valdymui, parinkimas.
Techninių sistemų elgsenos ir charakteristikų analizė dar yra vadinama proceso analize arba modelio sudarymu; tokios analizės rezultatas yra proceso modelis arba tiesiog modelis. Tokio tipo modeliai ne tik padeda sukurti automatizavimo sistemas, bet taip pat taikomi kitose technologinių ir gamtos mokslų srityse, eekonomikoje ir t.t.
Funkciniai modeliai. Technologijų srityje funkciniai modeliai užima svarbią vietą. Jie atspindi sistemos elgseną, priklausomai nuo poveikių, santykio su kitomis sistemomis ir pan. Funkciniai modeliai daugiausia taikomi prognozavimui, kad būtų galima nuspėti sistemos elgseną ateityje su pakankamu tiks¬lumu, t.y. nnustatyti sistemos reakciją į įėjimo signalus. „Geras“ modelis originalios sistemos elgseną atspindi kiek galima tiksliau, taikant kiek galima paprastesnes priemones. Modelio tikslas ir prasmė – atitikti originalo funkcinę elgseną. Modelio charakteristika (kokybė) turi būti patikrinta prieš praktinį modelio įgyvendinimą. Kadangi sistemos elgsena labai priklauso nuo sistemą veikiančių signalų (trikdžio ir nuokrypio kompensavimo kintamieji), tai proceso modelis paprastai susideda iš sistemos modelio ir signalų modelio. Tam, kad būtų galima sukurti valdantįjį įrenginį, reikia žinoti, ar sistema yra veikia¬ma šuolinių, periodinių ar atsitiktinių signalų. Signalų analizė taip pat yra dalis proceso analizės. Kartais, signalų analizė yra vienintelis proceso analizės tikslas. Atvirojo ir uždarojo valdymo kontūro modeliai yra taikomi:
Matuojamiems ir trikdžių kompensavimo kintamiesiems parinkti ir nustatyti (apibrėžti);
Trikdžių signalams nustatyti ir įvertinti;
Valdomųjų sistemų statinėms iir dinaminėms charakteristikoms aprašyti;
Funkciniams ryšiams tarp sistemos kintamųjų nustatyti;
Galimiems sistemos variantams nustatyti ir apskaičiuoti.
Valdymo algoritmams parinkti ir valdančiojo įtaiso charakteringiems pa¬rametrams suderinti.
Modelio sudarymo strategijos. Modelis gali būti sudarytas remiantis teorinėmis ir/arba eksperimentinėmis žiniomis (2.1 pav.). Sudarant teorinį modelį, fizikiniai/cheminiai procesai, kurie vyksta realioje sistemoje yra formuluojami matematiškai ir tiriami remiantis mechanikos, termodinamikos ir kt. dėsniais. Sudarant modelį pagal eksperimentinius duomenis, turi būti išmatuoti bei įvertinti realios sistemos įėjimo ir išėjimo signalai. Tokiu atveju gali būti naudojami dirbtinai sukurti arba natūraliai aatsirandantys signalai (pvz. šuolinis signalas).
2.1 pav. Modelio sudarymo pagrindai.
Čia reikia pabrėžti, kad eksperimentiniais duomenimis pagrįstas mode¬lis retai atspindi tikrąją informaciją apie fizikinius ir cheminius procesus vykstančius procese. Modelis paprasčiausiai charakterizuoja sąveiką tarp įėjimo ir išėjimo kintamųjų ir dar yra žinomas kaip I/O modelis. Abiejų metodų sintezės būdas, kai modelis yra aprašomas teorinėmis lygtimis, o modelio parametrai nustatomi eksperimentiškai, yra gana plačiai paplitęs.
Modelio sudarymas. Automatizavimo technologijoje, pirmiausia sudaromi matematiniai modeliai. Jie kiekybiškai nusako ryšius tarp proceso kintamųjų, t.y. matematinėmis lygtimis, charakteristikų funkcijomis ir pan. 2.2 pav. pateikta tokio modelio struktūra.
2.2 pav. Pagrindinė matematinio modelio struktūra, y – valdantysis kintamasis, z – pagrindinis trikdžio kintamasis, v – nevertingo trikdžio kintamasis, x – išėjimo kintamasis
Ši iliustracija demonstruoja, kaip sistemoje veikia signalai. Tuo pat metu išven¬giama, kartais labai sudėtingo, platesnio proceso konteksto aprašymo. Dar daugiau, yra priimama, kad visi proceso kintamieji (pvz. temperatūra, srautas ir t.t.) yra laiko funkcijos (kinta laikui bėgant), o ne priklauso nuo vietos. Pagal 2.2 pav. matematiniai modeliai turi kiekybiškai atspindėti išėjimo kintamojo x priklausomybę nuo įėjimo kintamųjų y, z ir v. Čia taip pat reikėtų atskirti statinius ir dinaminius modelius.
Priklausomybė tarp techninės sistemos įėjimo ir išėjimo kintamųjų, esant nusistovėjusiam režimui, vadinama statine charakteristika. Iliustruokime tai paprastu valdomosios sistemos kkompensavimo charakteristikos pavyzdžiu (2.3 pav.). Turime santykį tarp pvz. sklendės padėties y (proceso įėjimo kintamojo) ir temperatūros x (proceso išėjimo kintamojo), o taip pat pagrindinį trikdį z (pvz. slėgį), nuo kurio tas santykis priklauso.
2.3 pav. Statinės būsenos kreivės
Taškas su nuliniu indeksu žymi darbo taško vertę (proceso signalo vertę esant nominalioms darbo sąlygoms).
Įėjimo ir išėjimo signalai kartais kinta, priklausomai nuo įrangos paleidimo bei stabdymo procesų, o taip pat dėl nenumatytų kintančių trikdžių. Todėl yra labai svarbu į proceso modelį įtraukti lygtis, kuriomis aprašomas laikui bėgant kintan¬čių signalų santykis. Toks kintamųjų pokytis laikui bėgant dar yra žinomas kaip dinaminė charakteristika. Dinaminiai modeliai, kurie turi tiesinių modelių formą dažnai tinka svarbioms užduotims spręsti, pvz. proceso stabilizacija uždarojo valdymo kontūru. Tai įmanoma tokiais atvejais, kai proceso signalų vertės yra pakankamai artimos darbo taško vertėms, vykstant technologiniams procesams ir kai proceso charakteristika nekinta radikaliai net ir vykstant pereinamiesiems procesams. Praktiškai naudojant automatizavimo įrangą, būtina atsižvelgti į tokios įrangos veikimo ribas. Jei tokios ribos yra peržengiamos, tai rezultatai, kurių buvo pasiekta taikant tiesinį modelį, kelia abejonių.
Modelio sudarymas iš eksperimentinės proceso analizės. Pagrindinis tokios procedūros bruožas yra tas, kad taikant tinkamas eksperimentines technologijas, sistemos tyrimas vyksta iš karto ir gauti duomenys gali būti perduodami į proceso modelį ((2.4 pav.).
2.4 pav. Pagrindinė eksperimentinės proceso analizės modelio struktūra
Pagrindiniai eksperimentinės proceso analizės tikslai ir problemos yra;
• reikalavimų pagal modelio poreikius formulavimas (taikymo tikslas, tikslumas, veikimo ribos) eksperimentų paruošimas ir diegimas;
• tinkamų metodų, skirtų surinktiems apdoroti, parinkimas;
• paklaidų įvertinimas ir modelio patikrinimas (verifikavimas).
Pradiniame eksperimento etape turi būti įvertinta:
• naudojama techninė ir programinė įranga;
• modelio struktūra;
• pagrindiniai procese veikiantys kintamieji, o taip pat trikdžio kintamieji;
• trukmė, per kurią reikia atlikti matavimus.
Techninės ir matavimo įrangos paruošimas susideda iš:
• atitinkamo valdymo, matavimo ir registravimo įtaisų surinkimo ir paruošimo, išskyrus tuos atvejus, kai atitinkama įranga jau yra įdiegta procese;
• eksperimentinės metodikos/technologijos patikrinimas darbinėmis sąlygomis.
Eksperimentinių charakteristikų tyrimo metu dažnai tenka atlikti preliminarius eksperimentus, pagal kuriuos reikia įvertinti tikslų signalo/trikdžio santykį, svyravimo ribas, ir pagrindinius veikiančius kintamuosius. Atliekant pagrindinius eksperimentus, reikia užtikrinti, kad surinkta pakankamai duomenų, kad būtų galima apibrėžti darbo taško vertę (pradines vertes matavimo pradžioje), Naudingi signalai sistemos išėjime turi būti pakankamai aptriukšminti, o eksperimentuose su šuolinėmis charakteristikomis jie turi būti modifikuoti apie 10% paklaidos ribose.
Planuojant eksperimentus yra svarbūs du aspektai:
• tinkamų signalų parinkimas (sistemos įėjimo signalai)
• laiko, kada signalai yra matuojami (stebimi), parinkimas
Įėjimo signalai turi aktyvuoti analizuojamą sistemą taip, kad būtų įmanoma nustatyti sistemos charakteristikas su kuo didesniu signalo/trikdžio santykiu, įėjimo signalai taip pat turi būti tokie, kad juos būtų galima nesunkiai
realizuoti ir nustatyti. Tai padaryti gana nesunku – eksperimento pradžioje turi būti paduodamas šuolinis signalas. Tokį signalą galima aktyvuoti elektromechaniniais ir elektroterminiais įrenginiais, kurių būsena kinta juos įjungiant. Taip pat tokius signalus galima aktyvuoti technologinėse medžiagų ar energijos srautų valdymo sistemose, keičiant sklendžių ar siurblių nuostatus.
2.2 Valdiklio (reguliatoriaus) parinkimas ir parametrų nustatymas
Techniniai valdikliai yra automatinių sistemų komponentai. Jų užduotis -užtikrinti, kad procesas būtų stabilus. Jie naudojami tokiais tikslais:
automatiškai pasiekti ir palaikyti tam tikrą proceso būseną (darbo režimą)
eliminuoti trikdžius procese
neleisti susidvejinti ttechnologinio proceso daliniams procesams.
Kalbant apie proceso būseną čia turima omenyje proceso parametrai, tokie kaip slėgis, srautas, temperatūra, lygis ir kokybė (pH vertė).
Uždarojo valdymo kontūro darbo režimas. 2.5 pav. pavaizduota pagrindinė uždarojo valdymo kontūro struktūra. Tokio kontūro darbo režimą galima aprašyti taip:
2.5 pav. Uždarojo valdymo kontūro schema
Pageidaujama valdomojo kintamojo X vertė, t.y. pageidaujama charakteristika, kaip laiko funkcija, yra sąlygojama nuostato kintamojo W. Tai galima padaryti rankiniu būdu naudojant valdymo įrangą valdiklyje arba valdymo įrenginiu, kuris taip pat yra valdiklis, tik laipsniu aaukštesnis. Esant fiksuotai nuostato vertei, kalbame apie fiksuoto nuostato valdymą, ir esant kintamai nuostato vertei, kalbame apie nuostato valdymą arba servo valdymą (servo control). Valdomasis kintamasis X yra pastoviai matuojamas atitinkamais matavimo prietaisais (arba tam tikrais laiko intervalais) ir palyginamas ssu nuostato verte. Palyginimas atliekamas atimties veiksmu -iš valdomojo kintamojo X atimamas nuostato kintamasis W. Sistemos nuokrypis e = W – X rodo, kiek ir kuria kryptimi (pvz. daugiau arba mažiau praverta sklendė) reikia įsiterpti į procesą valdančiojo kinta¬mojo Y pagalba, kad eliminuoti atsirandančias sistemos paklaidas. Valdantysis įrenginys yra naudojamas kaip informacijos apdorojimo sis¬tema, kuri apskaičiuoja kompensuojantįjį kintamąjį Y. Šis kintamasis turi būti tinkamas valdymo procesui ir apskaičiuojamas iš esamos sistemos nuokrypio.
Technines valdymo sistemas veikia daug trikdžių (pvz. pasikeitę įkrovos dydžiai, naudojamų medžiagų kokybė irti). Tam, kad supaprastinti užduotį, 2.5 pav. pavaizduotas tik vienas pagrindinis trikdžio kintamasis Z. Visi trikdžiai veikia valdomąjį kintamąjį ir keičia (pvz. fiksuoto nuostato valdymo atveju) jo darbinio taško vertę (X0 = W0). Visi trikdžiai atsispindi ssistemos nuokrypyje ir aukščiau aprašytas valdymo procesas, kuris vyksta pastoviai ir automatiškai, užtikrina kuo didesnį sistemos nuokrypio sumažinimą, tuo pačiu eliminuodamas trikdžių poveikį valdančiajam kintamajam.
Sėkmingas valdymo sistemos taikymas priklauso nuo:
• laikui bėgant kintančių trikdžio kintamųjų charakteristikų ir laikui bėgant kintančių nuostato verčių,
• statinių ir dinaminių valdomosios sistemos charakteristikų,
• informacijos apdorojimo valdančiuose įtaisuose
Funkciniai reguliatorių veikimo būdai (valdymo algoritmai). Valdymo algoritmai yra išbandytas ir pasiteisinęs koreguojančio kintamojo Y apskaičiavimo metodas iš sistemos nuokrypio e. Čia derėtų prisiminti pagrindines techninių sistemų formas (P, I ir D ppoveikis). Apdorojant informaciją, kiekvienas poveikis atlieka tik jam būdingas funkcijas.
P ir D komponentų tikslas užtikrinti greitą, bet tolygų pereinamąjį procesą uždarajame valdymo kontūre. D komponentas neturi jokio poveikio, kai uždarojo valdymo kontūre yra statinė būsena, kadangi, net ir esant statiniam nuokrypiui es(τμ)0 išėjimo signalas YD artės prie nulio ir tuo būdu neturės jokios įtakos valdymo signalo Y vertei. Tačiau kai susiduriama su kintančiais sistemos nuokrypiais, šis komponentas turi didelę įtaką. Galima sakyti, kad D komponentas veikia paankstintai, t.y. jis tarsi iš anksto paveikia valdymo signalą Y.
Tikroji I komponento prasmė – palaikyti charakteringąją valdiklio kreivę vertikalioje padėtyje ir tuo būdu kompensuoti bet kokius pastovius trikdžius. Šio komponento veikimas panašus kaip integralinio veikimo sistemų, kai yra palaikomas pastovus sistemos išėjimo kintamojo kitimas esant šuoliniam įėjimo signalui. Taip sistemos išėjimas (reguliatoriaus atveju Y) gali pasiekti bet kokią vertę nustatytame diapazone, net jei ir įėjimo signalas (šiuo atveju sistemos nuokrypis e) pasibaigus pereinamajam procesui, artėja prie nulio. Statinė integralinio veikimo sistema yra panaši į proporcinę sistemą, kurios proporcingumo koeficiento vertė yra be galo didelė. Per pakankamai ilgą laiko tarpą nedidelės vertės įėjimo signalai sistemoje sąlygos tam tikros vertės išėjimo signalų atsiradimą.
Norint apskaičiuoti bendrą reguliatoriaus poveikį uždarojo valdymo kontūre, o taip pat rasti kintamųjų X iir Y reakcijas, visi reguliatoriaus komponentai turi būti įvertinti apskaičiuojant nuostato W vertę. Tam kiekvienas PID reguliatorius turi tris laisvai nustatomus parametrus (charakteringieji reguliatoriaus parametrai):
• proporcingumo koeficientą KR, P komponentui suderinti;
• koregavimo laiką Tn, I komponentui suderinti;
• diferencialinio veikimo laiką Tv, D komponentui suderinti.
Reikalavimai dinaminei uždarojo valdymo kontūro elgsenai. Charakteringų reguliatoriaus parametrų KR, Tn ir Tv nustatymas labai priklauso nuo:
• statinės ir dinaminės valdomosios sistemos būsenos;
• trikdžių veikiančių dinaminę sistemą;
• uždarojo valdymo kontūro statinės ir dinaminės būsenos reikalavimų.
2.6 pav. PID reguliatoriaus signalų diagrama, a) su atskirai parodytais P, l ir D komponentais;
b)bendras valdiklio perdavimo funkcijos vaizdas (kai komponentai susumuoti)
Nagrinėjant dinaminę būseną reikia priimti prielaidas, kad visi proceso signalai atsirandantys valdymo proceso metu, yra savo darbo taško aplinkoje ir praktiškai nešvytuoja. Tuo būdu, uždarojo valdymo kontūro reikalavimai, išreikšti šuolinės reakcijos forma, gali būti nesunkiai nustatomi. Tačiau praktiškai vykdant uždarojo valdymo kontūro operacijas reikia stebėti darbo taško ribas. Jei tos ribos yra peržengiamos, tai rezultatai, kurių pasiekiama valdant reguliatoriumi, suderintu pagal tiesinį dinaminį modelį, kelia abejonių.
2.3 Automatizavimo įrangos parinkimas
Dabar, aptarsime dar vieną svarbų klausimą – automatizavimo įrangos parinkimą. Šios įrangos parinkimas yra tiesiogiai susijęs su EMVS valdymo blokų schemos (ryšių schemos) bei įrangos sąrašo sudarymu. Be to, kad šiose schemose bus atvaizduotos tokių įrenginių funkcijos, dar yra svarbu iir šių įrenginių techninės charakteristikos (t.y. matavimo ribos, jutiklių jautrumo ribos, vykdiklių galimybės ir t.t.). Apskritai, projektavimo inžinieriaus užduotis – parinkti automatizavimo įrangą taip, kad ji optimaliai spręstų sukurtos automatizavimo sistemos uždavinius. Todėl įranga turi atitikti tam tikrus reikalavimus:
• Įgyvendinamumas (Realisability)
Automatizavimo uždavinys turi būti sprendžiamas su atitinkama automatizavimo įranga.
• Patikimumas (Reliability)
Naudojamos įrangos saugumo laipsnis turi atitikti automatizuojamo proceso saugumo laipsnį.
• Proceso sąlygos (Process condition)
Technologinio proceso vykdymo sąlygos (t.y temperatūra, slėgiai, agresyvi terpė, sprogimų rizika, spinduliavimas, elektromagnetiniai laukai ir t.t.) turi būti bendrai įvertinti.
• Kliento reikalavimai (Customer reguirements)
Klientai kartais reiškia pageidavimus, koks gamintojo ir kokias funkcijas atliekančią įrangą naudoti.
• Integracijos galimybė (Integratability)
Reikia įvertinti tikimybę, kad esama automatizavimo sistema bus plečiama, prijungiant papildomą įrangą. Tą reikės atlikti kuo mažesnėmis sąnaudomis ir nuostoliais.
• Energijos vartojimas (Energy consumption)
Energija, tiekiama tiesiogiai automatizavimo įrangai, arba energija, kuri naudojama procese (pvz. sklendės, siurbliai ir t.t.), turi būti varto¬jama kiek galima taupiau.
• Kainos veiksnys (Cost determinants)
Įvairios automatinės įrangos, atliekančios tokias pačias funkcijas, kainos palyginimas yra svarbus faktorius, apskaičiuojant viso projekto vertę,
• Įvairūs (Miscellaneous)
Taip pat reikia atsižvelgti į tokius automatizavimo įrangos aspektus kaip svoris, dydis, galima instaliavimo vieta, techninio aptarnavimo galimybės ir t.t. Šie reikalavimai nėra vienodos svarbos. Reikalavimų svarba priklauso nuo paties proceso ir užsakovo pageidavimų, pvz. proceso patikimumas dažnai yra didesnės svarbos reikalavimas, nei
kaštų sumažinimas. Iš automatizacijos ir EMVS blokinių schemų analizės aišku, kad automatizavimo įrangos parinkimas uždavinys susideda iš vykdiklių ir jutiklių parinkimo.
LITERATŪRA
1. H. Bischoff, D. Hofmann, E. Terzi. Procesų valdymo sistema. Mokomoji knyga. Kaunas, FESTO. 1997.
2. R. Simutis, D. Levišauskas, G. Stankevičius. Technologinių procesų modeliavimas ir identifikavimas. Mokomoji knyga. Kaunas, „Technologija“, 1999.
3. V. Aleksa. Technologinių procesų automatizavimas. Kaunas, Technologija, 2004, 254 p.
