Тема 8: Інвестиції аграрних підприємств

Дата добавления: 2015-08-30; просмотров: 646

ЛО – описание языковых средств обеспечения оперативного персонала для общения с УЭВМ

Цель курса

Приобретение теоретических знаний и практических навыков расчета и исследования цифровых (дискретных) систем регулирования (ЦСР) технологическими процессами.

Задача курса:

1. научиться разрабатывать математические, дискретные, статические и динамические модели технологических процессов (объектов управления) и проверять их адекватность
2. научиться выбирать на основе полученной математической модели объекта структуру ЦСР
3. научиться разрабатывать дискретную динамическую модель управляющей части ЦСР
4. научиться рассчитывать оптимальные настройки цифровых регуляторов и компенсаторов управляющей части ЦСР
5. научиться проводить сравнительные исследования (анализ) ЦСР различных структур на основе машинного моделирования их работы.

Основные понятия и определения

Характер протекания (состояния) любого технологического процесса определяется текущими значениями ряда физических величин (расхода, температуры, давления, влажности, концентрации и т.д.). При нормальном протекании процесса эти величины должны принимать строго определенные (номинальные) значения. В противном случае ход процесса нарушается, что приводит к снижению количества и качества продукции, перерасходу энергии и сырья, интенсивному износу оборудования, поломкам и авариям. В силу ряда причин (изменение характеристик сырья тепло и хладагентов) или явлений протекающих в самом аппарате (изменение гидродинамики, условий теплопередачи и массообмена активности катализатора, старение оборудования), указанные величины могут отклоняться от номинальных значений приводя к выше перечисленным нежелательным последствиям. В этом случае возникает необходимость в управлении процессом, который называется объектом управления. Объект управления –это технологический процесс, протекающий в каком-либо аппарате и характеризующийся физическими величинами, называемыми технологическими параметрами. Различают входные, выходные и промежуточные параметры. Структурная схема объекта при этом имеет вид:

Рис. 1.1 Структурная схема объекта управления.

Выходные (управляемые) параметры “y” – наиболее полно характеризуют протекание технологического процесса, например, температуру, давление, уровень, влажность.

Управляющие “u” – параметры, оказывающие влияние на выходные и поддающиеся целенаправленному изменению

Возмущающие параметры ‘f”- параметры, оказывающие влияние на выходные и неподдающиеся целенаправленному изменению, мешающие тем самым правильному протеканию процесса.

Выходные и возмущающие параметры являются входными параметрами, они связаны с расходом вещества или энергии, например, изменение расхода теплоносителя (пар, горячая вода) или хладагента (рассол, холодная вода), изменение напряжения или силы электрического тока. Промежуточные параметры (переменные состояния) “x” – это переменные изменения, которые косвенно связаны с характером протекания процесса, например скорость или ускорение изменения параметра. Управление – целенаправленное воздействие на объект, которое обеспечивает его оптимальное (в определенном смысле) функционирование и количественно оценивается величиной критерия (показателя качества). В частном случае управлением является регулирование. Регулирование –это поддержание выходных величин объекта в близи требуемых постоянных или переменных значений с целью обеспечения нормального режима его работы по средством подачи на объект управляющих воздействий. Управление (регулирование) может быть ручным или автоматическим. При ручном, воздействие на объект осуществляется непосредственно человеком с помощью запорно-регулируемой аппаратуры (вентили, клапаны). При автоматическом специальным автоматическим устройством, которое в этом случае называется управляющим устройством. Автоматическое устройство, обеспечивающее поддержание выходных величин объекта вблизи требуемых величин называется автоматическим регулятором. Совокупность автоматического регулятора и объекта управления, взаимодействующих между собой, называется автоматической системой управления или системой управления.

Структурная схема автоматической системы управления имеет следующий вид:

Рис. 1.2 Структурная схема АСУ.

Классификация систем управления

Системы управления классифицируются по нескольким признакам:

по принципу регулирования

- системы с обратной связью (по отклонению)

- системы без обратной связи (по возмущению)

- комбинированные

Рассмотрим подробнее эти системы.

Принцип управления по отклонению.

Свойства данной системы: замкнутый путь передачи информации о ходе процесса, т.е. текущее значение управляемой величины с выхода объекта управления подается на вход управляющего устройства, где определяется отклонение или ошибка управления е.

где ошибка управления (сигнал рассогласования), заданное и текущее значение выхода объекта

Рис. 1.3 Структурная схема регулирования по отклонению.

Рис. 1.4 Функциональная схема регулирования по отклонению.

В системах, работающих по отклонению регулируемые величины от заданного значения возмущения f вызывают отклонение текущего значения выхода “y” от задания. Регулятор сравнивает значение задания и выхода объекта и при их рассогласовании вырабатывает регулирующее воздействие “u” соответствующего знака, которое через исполнительное устройство подается на объект управления и устраняет это рассогласование. К недостаткам таких систем относятся :

1. необходимость наличия рассогласования для формирования регулирующих воздействий, тогда как задача регулятора (регулирования) заключается в том, чтобы не допускать этого рассогласования

2. замкнутые системы не препятствуют проникновению в объект внешних возмущений, а только реагируют на их последствия в результате закон изменения задания точно не выполняется

3. сужение области устойчивого регулирования

Достоинства замкнутых систем:

1. Регулирующее воздействие (регулирование) осуществляется независимо от числа , вида, места приложения возмущающих воздействий

2. Достаточно высокая точность регулирования

3. Обеспечение устойчивости всей системы при неустойчивом объекте

Благодаря перечисленным достоинствам такие системы на практике получили преимущественное распространение

Системы регулирования по возмущению.

При регулировании по возмущению используется информация о текущем значении основного возмущающего воздействия f. При отклонении его от номинального значения регулятор формирует регулирующее воздействие “u” направленное на объект. Системы регулирования по возмущению являются разомкнутыми, т.к. информация направлена в одном направлении.

Рис. 1.5 Структурная схема регулирования по возмущению.

Рис. 1.6 Функциональная схема регулирования по возмущению.

К недостаткам таких систем относятся:

1. невозможность учета влияния всех возмущений, число которых велико

2. невозможность учета влияния возмущений, которые не могут быть количественно измерены, например активность катализатора

Достоинства систем:

1. сигнал регулирования проходит по контуру быстрее, чем в замкнутых системах вследствие чего возмущающее воздействие может быть устранено еще до появления рассогласования
2. устойчивее замкнутых систем, из-за отсутствия обратной связи. Благодаря этому они обладают большим коэффициентом усиления и быстродействием при прочих равных условиях
3. т.к всех возмущающих факторов учесть невозможно, такие системы редко используются самостоятельно, как правило вместе с системами регулирования по отклонению

Комбинированные системы

Данные системы содержат контуры управления по отклонению и по возмущению, обладают всеми достоинствами двух вышеперечисленных типов систем. Структурная и функциональная схемы комбинированных систем имеют вид:

По виду математические модели:

- линейные (2.1)

- нелинейные (2.2)

По использованию вспомогательной энергии:

- прямого действия (без дополнительных источников энергии) (3.1)

- косвенного действия (с дополнительным источником энергии) (3.2)

В зависимости от вида используемой энергии:

- электрические (4.1)

- пневматические (4.2)

- механические (4.3)

- гидравлические (4.4)

По поведению статических и динамических свойств во времени:

- стационарная система управления, у которой статические и динамические свойства с течением времени не изменяются, т.е. не зависят от времени (5.1)

- нестационарные, статические и динамические свойства с течением времени изменяются (5.2)

В зависимости от информации о процессе: информация бывает априорная (начальная), апостериорная (рабочая). Под априорной информацией подразумевается знание статических и динамических свойств объекта, т.е. наличие математической модели. Под апостериорной подразумевается знание текущих значений входов и выходов системы или объекта.

6.1 обыкновенные системы для них характерно наличие начальной и рабочей информации. Они подразделяются на:

6.1.1 система стабилизации – предназначена для поддержания выхода на определенном постоянном уровне у^з=const

6.1.2 система программного управления – предназначена для изменения выхода объекта в соответствии с заранее известной функцией (функцией времени или функцией другого параметра) у^з=f(t)…f(x)

6.1.3 следящие системы – в них заданное значение регулируемой величины заранее не известно и является функцией либо времени, либо внешнего независимого технологического параметра. Например, регулирование соотношения.

6.2 оптимальное управление. При управлении динамическими системами оптимизация часто существенна для переходных процессов, в которых показатель эффективности зависит от текущего значения выхода, входа, их производных и времени. В этом случае условие оптимальности задается в виде функционала:

Как правило, этот критерий является дифференциальным уравнением n-го порядка. Его решение позволяет найти оптимальную функцию изменения регулирующего воздействия , которые обеспечат оптимальную функцию управляемой величины и обеспечат оптимум функционала. Такие задачи решаются методами вариационого решения или математического программирования

6.3 экстремальные системы. Оптимальный режим работы объекта статики характеризуется экстремальным (минимальное или максимальное) значением показателя эффективности процесса (либо технологическая величина, либо экономическая характеристика). В следствии влияния внешних возмущений оптимальный режим работы объекта (системы) нарушается. Для его отыскания и поддержания используются экстремальные системы регулирования. Данная задача решается методом автоматического поиска таких значений управляющих воздействий, который обеспечивает экстремум показателя эффективности.

Синтез NH₃

При изменении нагрузки на колонну, точка оптимума смещается, т.е. в одном случае это Если нагрузка меняется, необходимо использовать новое значение температуры:

1. находится оптимальный параметр, который стремится к минимуму или максимуму

2. закон изменения температуры заранее не известен

Экстремальные системы работают для оптимизации установившихся состояний.

6.4 Адаптивные системы

Для них характерен недостаток или полное отсутствие начальной информации и наличие полной рабочей. В реальных условиях внешние возмущения иногда приводят к изменению не только координат (отклонение выхода от задания как в системах стабилизации), но и параметров системы (коэффициентов математической модели). Изменение статических и динамических свойств за определенные границы приводят не только к количественным ошибкам, но и к полной потере работоспособности системы, используемые при этом обыкновенные системы стабилизации не позволяют устранить указанные ухудшения качества регулирования.

6.4.1 Система с пассивной адаптацией. Рассчитывается на основе теории чувствительности. На основе априорной информации строится система, обладающая в силу ее структурной организации или особых режимов работы возможностями к оптимизации в смысле какого-либо критерия регулирования не только в первоначальном расчетном состоянии, но и при изменениях свойств объекта и воздействиях внешней среды в заданной области.

Достоинства системы- мгновенная реакция на происходящие изменения за счет структурной организации системы

Недостатки системы:

1. низкая точность поддержания заданного значения критерия качества управления
2. не отслеживает оптимальный режим управления
3. использование при малых изменениях свойств объектов
4. наличие полной априорной информации о системе управления, воздействиях внешней среды и их изменениях, что не всегда возможно.

6.4.2 Робастные (огрубленные) системы. Их применение позволяет сохранить заданные свойства (устойчивость, качество переходного процесса) при воздействиях многих, изменяемых в широких пределах возмущающих факторов, однако строгое выполнение условий абсолютной инвариантности требует полной инвариантности требует полной информации о моделях объекта и возмущениях объекта внешней среды.

6.4.3 Системы с активной адаптацией (собственно адаптивные). Достижение нулевой чувствительности системы к изменяющимся в значительных пределах факторам заключается в использовании текущей информации о состоянии изменяющейся части системы, т.е. объекта с последующей на ее основе автоматической коррекцией свойств системы управления. Это составляет суть адаптивного подхода к синтезу системы и позволяет повысить качество управления в условиях неопределенности и нестационарности свойств объекта и внешней среды при этом задача управления считается решенной если после коррекции система вновь удовлетворяет желаемым требованиям. Неопределенность – отсутствие априорной информации об объекте управления и среде функционирования, т.е. отсутствие их модели. Нестационарность – изменение статических и динамических свойств объекта и среды функционирования с течением времени. Системы, автоматически изменяющие значение своих параметров или структур при непредвиденном изменении внешних условий на основании анализа состояния или поведения системы так, чтобы сохранялось заданное качество ее работы называют адаптивными системами. Любая адаптивная система имеет двух уровневую структуру:

Алгоритм первого уровня (регулятор) обеспечивает достижение цели управления и называется алгоритмом (законом) управления. Реализуется в виде управляющего устройства или регулятора.

Алгоритм второго уровня изменяет алгоритм первого уровня так, чтобы приспособиться к неизвестной ситуации и обеспечить достижение цели управления в новых условиях называется законом адаптации. Закон управления (регулирования) – математическая зависимость, по которой вырабатывается управляющее воздействие на объект. Главным недостатком адаптивной системы является меньшее быстродействие по сравнению с робастными системами, вызванное необходимостью первоначального изучения объекта в течении некоторого времени. Адаптивные системы подразделяются на:

6.4.3.1 самоорганизующиеся

6.4.3.2 самоалгоритмизирующиеся

6.4.3.3 самонастраивающиеся

Самоорганизующиеся системы решают задачу определения взаимосвязи параметров, операторов этих взаимосвязей, включая структуру и коэффициенты. В самоалгоритмизирующихся системах взаимосвязь между входами и выходами считается известной и решается только задача восстановления структуры и параметров операторов этих взаимосвязей. В самонастраивающихся системах решается задача определения параметров операторов взаимосвязей входов и выходов.

6.5 Игровые системы

Характерно неполная начальная и рабочая информация. Для них считается известным цель, правило и ограничения. Работа игровой системы заключается в анализе сложившейся на данном этапе ситуации и выборе управления, которое обеспечивает некоторый выигрыш. Сумма этих выигрышей должна привести к достижению поставленной цели.

6.6 Системы управления, разрабатываемые на основе искусственного интеллекта

6.6.1 инженерия знаний и рассуждений на знания. Применяются при создании экспертных систем. Их прообразом служат системы ситуационного управления.

6.6.2 Обработка нечеткой информации и нечеткий вывод, используемый при построении нечетких систем

6.6.3 Мягкие вычисления. Реализуются на базе методов обработки нечеткой информации.

6.6.4 Нейросетевая обработка информации и нейрокомпьютеры.

6.6.5 Эволюционное моделирование, используется при разработке кинетических алгоритмов, являющихся основой эволюционного моделирования, применяются при настройке нейронных регуляторов и поиска функций принадлежности в нечетких системах.

6.6.6 Распределительный искусственный интеллект и многоагентные системы

7. По числу регулируемых величин:

7.1 одномерные системы

7.2 многомерные системы

7.2.1 системы несвязанного регулирования

7.2.2 системы связанного регулирования

В системах несвязанного регулирования регуляторы непосредственно несвязанны между собой и воздействуют на общий объект раздельно. Используются обычно когда взаимное влияние регулируемых величин объекта (через перекрестные каналы) мало или практически отсутствует. В системах связанного регулирования регуляторы связаны между собой внешними связями (компенсаторами) с целью ослабления взаимного влияния регулируемых величин (влияние перекрестных каналов).

Если при этом удается полностью использовать влияние регулируемых величин друг на друга, то такая система связанного регулирования называется автономной.

8. По числу контуров:

8.1 одноконтурные

8.2 многоконтурные

К одноконтурным относятся системы содержащие один замкнутый контур, а к многоконтурным имеющие несколько замкнутых контуров. Многоконтурные могут применятся также для регулирования одной величины с целью повышения качества переходных процессов.

9. По характеру регулирующего воздействия

9.1 непрерывные

9.2 дискретные

9.2.1 релейные

9.2.2 импульсные

Непрерывные системы построены так, что непрерывному изменению входной величины соответствует непрерывное изменение величины на входе каждого звена. Релейные (позиционные) системы имеют в своем составе релейное звено, которое преобразует непрерывную входную величину в дискретную релейную, принимающую только два фиксированных значения минимально и максимально возможные. Релейные звенья позволяют создавать системы с большим коэффициентом усиления, большим быстродействием, однако в замкнутом контуре регулирования наличие релейных звеньев приводит к автоколебаниям регулируемой величины с определенным периодом и амплитудой. Системы с релейными звеньями относятся к нелинейным системам регулирования. Статическая характеристика релейного звена имеет вид:

Импульсные системы имеют импульсное звено, которое преобразует непрерывную входную величину в дискретную импульсную, т.е. последовательность импульсов с определенным периодом их чередования. Системы с цифровым вычислительным устройством также работают в импульсном режиме, т.к. цифровое устройство выдает результат вычисления в виде импульсов, следующих через некоторые промежутки времени, необходимые для вычисления.