Полная версия

Главная arrow Строительство arrow Автоматическое регулирование

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

ОСНОВЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Любая инженерная система, любой технологический процесс подвержены действию различных факторов, случайных по своей природе, которые нельзя предусмотреть заранее. Такие факторы называются возмущениями. К ним относятся, например, случайные изменения потребления воды, температуры воздуха и теплоносителя, характеристик оборудования и др. Возмущающие воздействия вызывают изменения принятого режима работы системы, что, в свою очередь, приводит к изменению таких техникоэкономических показателей (ТЭП) системы, как производительность, расход энергии и т. п. Поэтому для обеспечения требуемых ТЭП необходимо компенсировать колебания заданного режима, вызванные действием возмущений. Такое целенаправленное воздействие на систему представляет собой процесс управления. Совокупность требований, осуществляемых в процессе управления, называется целью управления. Наконец, сам управляемый процесс вместе с оборудованием, с помощью которого он реализуется, является объектом управления. Объект управления и устройства, необходимые для осуществления процесса управления, называются системой управления.

Современные инженерные системы весьма сложны и характеризуются большим числом параметров, влияющих на их ТЭП. Поэтому управление этими объектами организуют по так называемому иерархическому принципу.

Иерархический принцип управления заключается в многоступенчатой организации процесса управления, где каждая ступень имеет свои объекты и цели управления, которые зависят от технологического режима. Режим, при котором достигаются заданные показатели, называется оптимальным. Но технологический режим изменяется под действием случайных факторов и поэтому может существенно отклоняться от оптимального. Поскольку эти отклонения всегда ухудшают ТЭП, необходимо поддерживать технологические параметры процесса как можно ближе к их оптимальным значениям.

Управление можно организовать в виде двух ступеней. На верхней ступени цель управления заключается в поиске оптимального режима, и объектом управления при этом являются весь технологический процесс и его оборудование, на нижней ступени — обеспечение минимальных отклонений параметров от их оптимальных значений. Эта цель достигается относительно легко и заключается в стабилизации технологических параметров. В этом случае часто вместо термина «управление» применяют термин «регулирование».

При подобной организации процесса управления найденные на верхней ступени оптимальные значения технологических параметров можно рассматривать как «руководящие указания» для нижней, т. е. в общем процессе управления нижняя ступень подчинена верхней. Поэтому такие ступени обычно называют иерархическими уровнями управления.

При управлении современными зданиями (сооружениями) в целом, т. е. рассматривая их как объекты жизнеобеспечения, возникают другие цели и задачи, которые нельзя отнести к отдельным инженерным системам или технологическим процессам. Это, например, задачи организационно-оперативного управления. Поэтому процесс управления должен включать еще один уровень, на котором решаются организационные задачи. Он является высшим иерархическим уровнем.

Таким образом, структура управления эксплуатацией современных строительных объектов характеризуется тремя уровнями иерархии (рис. 3.1). Нижний уровень (I) представлен так называемыми локальными системами регулирования, функции которых сводятся к стабилизации отдельных технологических параметров. Такие задачи решаются автоматическими устройствами без участия человека, и поэтому системы нижнего иерархического уровня называются автоматическими системами регулирования (АСР). Объекты регулирования на этом уровне — элементарные процессы с соответствующим инженерным оборудованием.

Иерархия управления зданием (сооружением)

Рис. 3.1. Иерархия управления зданием (сооружением)

Следующий иерархический уровень (II) образуют системы управления технологическими процессами. Объектами управления на этом уровне являются технологические установки или участки вместе с оборудованием и локальными АСР. Здесь решаются задачи оптимизации технологических режимов процессов. Кроме того, в функции управления на этом уровне входят выявление и устранение ненормальных (аварийных) режимов, переключение оборудования, вычисление ТЭП и т. п. Указанные функции достаточно сложны и не могут быть целиком возложены на автоматические устройства. Поэтому здесь в системах управления применяют управляющие вычислительные машины (УВМ), а в процессах управления участвует оператор УВМ. Такие системы управления получили название автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП).

На высшем иерархическом уровне (III) осуществляется управление всем зданием. Например, объектами управления здесь помимо традиционных инженерных систем могут быть видеонаблюдение, охранно-пожарная сигнализация, контроль доступа, охрана периметра, телефонная связь, эфирное и спутниковое телевидение, а также все вспомогательные службы. На этом уровне задачи управления всей системой жизнеобеспечения и безопасности решаются с применением УВМ и обслуживающего персонала. Система этого уровня получила название автоматизированной системы управления зданием (АСУЗ).

Из сказанного видна роль локальных АСР нижнего иерархического уровня в общем процессе управления современными зданиями: они являются периферийными органами управления, через которые реализуются решения, принимаемые в процессе управления на более высоких иерархических уровнях.

Все процессы управления, в том числе и регулирования, имеют общие закономерности, не зависящие от конкретных объектов и целей управления.

Рассмотрим процесс регулирования уровня в емкости при произвольно изменяющемся потреблении (стоке) жидкости. Стабилизировать уровень на заданном значении можно изменением притока в зависимости от отклонения уровня от заданного значения. Предположим, что вначале уровень в емкости постоянный и равен заданному. Случайное уменьшение стока вызовет отклонение уровня выше заданного. Тогда необходимо прикрывать клапан на притоке. При отклонении уровня ниже заданного значения клапан, наоборот, следует приоткрывать. Этот процесс регулирования состоит из пяти составляющих. Во-первых, получение информации о заданном значении уровня. В данном случае это значение заранее известно. Во-вторых, получение информации о фактическом уровне, т. е. его измерение. В-третьих, определение величины и знака отклонения уровня от заданного. В-четвертых, установление требуемого изменения притока в зависимости от величины и знака отклонения. В-пятых, изменение притока открытием или закрытием клапана.

В рассмотренном примере процесс управления был неавтоматическим: в нем принимал участие человек. В АСР процесс управления осуществляется автоматически. Так, регулировать уровень в емкости автоматически можно, например, с помощью АСР, показанной на рис. 3.2. Поплавок 1 в этой системе перемещается вместе с уровнем, а клапан 4 изменяет расход на притоке. Поплавок связан с клапаном через поворотный рычаг 2 и прикрепленный к нему шток 3.

4

Автоматическое регулирование уровня в емкости

Рис. 3.2. Автоматическое регулирование уровня в емкости:

1 — поплавок: 2 — рычаг; 3 — шток; 4 — клапан

В такой АСР любое отклонение уровня от заданного, вызванное колебаниями потребления, приведет к перемещению поплавка и связанного с ним клапана. При отклонении уровня выше заданного клапан будет прикрываться, а при отклонении ниже заданного, наоборот, приоткрываться. Таким образом, в этой системе все указанные составляющие процесса регулирования выполняются автоматически: при отклонении уровня от заданного значения поплавок отклоняет рычаг, а перемещение штока изменяет степень открытия клапана и приводит тем самым к требуемому изменению притока. Из рассмотренного примера видно, что для управления объектом необходимо получить информацию о заданном и фактическом его состоянии, определить отклонение фактического состояния от заданного, на основе этого выработать целенаправленное воздействие на объект и осуществить его.

Несмотря на разнообразие встречающихся в инженерных системах объектов, отмеченный общий характер процессов управления не зависит от физической природы объектов и технических средств управления. Так, процесс регулирования уровня в емкости не зависит от конфигурации емкости, расположения трубопроводов, природы жидкости, конструкции клапана и т. п. Это позволяет изучать закономерности управления в общем виде независимо от природы объектов управления и протекающих в них технологических процессов. Такие закономерности изучает теория управления. Рассмотрим основные термины и понятия этой теории.

Как отмечалось, любой процесс управления слагается из пяти основных действий. В АСР эти действия выполняют технические устройства. Устройство для получения информации о состоянии объекта управления называется, как уже отмечалось, измерительным устройством. Устройство, которое определяет отклонение измеренного значения параметра от заданного, называется сумматором. Сумматор производит алгебраическое суммирование — вычитание измеренного значения параметра из заданного. Устройство, вырабатывающее необходимое воздействие на объект, называется регулятором. Для передачи этого воздействия на объект служит регулирующий орган. Обычно для перемещения регулирующего органа применяется отдельное устройство — исполнительный механизм. Все эти устройства, а также объект управления являются элементами АСР. В системах автоматизации некоторые из перечисленных устройств бывают конструктивно совмещены — например, сумматор может быть частью регулятора, а исполнительный механизм объединен с регулирующим органом.

Нетрудно убедиться, что в рассмотренной АСР объектом регулирования является емкость с притоком и потреблением жидкости, измерительным устройством — поплавок, рычаг выполняет роль сумматора и регулятора, а клапан — регулирующего органа. Структурная схема этой системы, показывающая взаимосвязь ее элементов, приведена на рис. 3.3. Как видно из схемы, элементы АСР связаны между собой таким образом, что воздействуют друг на друга: измерительное устройство воздействует через сумматор на регулятор, регулятор — на регулирующий орган, регулирующий орган — на объект регулирования. Эти воздействия передаются от одного элемента к другому посредством сигналов.

Физическая природа сигналов может быть различной: электрической, пневматической, механической. Так, в рассматриваемой

Структурная схема ACP уровня в емкости

Рис. 3.3. Структурная схема ACP уровня в емкости

АСР применена механическая связь регулятора с измерительным устройством и регулирующим органом. Общим свойством любых сигналов является передача воздействия от одних элементов системы к другим. Например, при регулировании уровня в емкости регулирующий орган воздействует на объект регулирования изменением притока в емкость. Здесь сигналом является расход жидкости на притоке.

Передача воздействия от одного элемента к другому всегда происходит в одном направлении — от предыдущего к последующему. Поэтому еще одним общим свойством сигналов является их направленность. В соответствии с этим для каждого элемента АСР различают входные и выходные сигналы. Выходной сигнал элемента является его реакцией на входной сигнал. Иначе говоря, выходной сигнал элемента зависит от его входного сигнала.

В общем случае элемент АСР может иметь несколько входных и выходных сигналов. Например, для регулирующего органа в АСР уровня в емкости входной сигнал — степень открытия клапана, а выходной — расход жидкости через него. Для самой емкости с жидкостью как объекта регулирования входными сигналами являются расходы на притоке и потреблении, зависящий от этих сигналов уровень в емкости — выходной сигнал.

Входные и выходные сигналы объектов регулирования могут не совпадать с входными и выходными потоками вещества и энергии. Так, в емкости, изображенной на рис. 3.2, приток является входным, а потребление — выходным потоком. Вообще следует помнить, что в процессах управления конструкция элементов, материалы, из которых они изготовлены, природа выходных и входных сигналов и тому подобные факторы не играют существенной роли в процессах регулирования. Имеет значение лишь характер преобразования входных сигналов в выходные.

Общее свойство любых возмущений — воздействие на элементы АСР, что вызывает случайные изменения их выходных сигналов. Поэтому возмущения всегда являются входными сигналами элементов.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>