Основные термины и определения

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ УПРАВЛЕНИЯ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

Управление — это процесс формирования и реализации управляющих воздействий, направленных на достижение некоторой цели.

Объект управления — объект, для достижения результатов функционирования которого необходимы и допустимы специально организованные воздействия.

Под технологическим объектом управления (ТОУ) понимают совокупность технологического оборудования и реализуемого в нем технологического процесса. Под объектом управления (ОУ) в химической технологии понимают технологический процесс, осуществляемый в определенном аппаратурном оформлении, в котором один или несколько химико-технологических параметров, характеризующих состояние процесса, поддерживаются на заданном уровне или изменяются по определенному закону. В химической промышленности к типовым ОУ относят реакторы, массообменные колонны, теплообменники, насосы, вентиляторы и другие аппараты и устройства технологических установок, включая трубопроводы.

Цель управления — достижение желаемых результатов функционирования объекта. Цель управления формируется вне системы управления и является входным сигналом системы управления. Для системы управления одним и тем же объектом цель управления может быть сформулирована по-разному и может изменяться во времени. Например, целью управления ректификационной установкой на нефтеперерабатывающем заводе может быть:

• получение максимального количества высококачественного бензина при переработке 1 т нефти;

• получение максимума прибыли при переработке 1 т нефти;

• минимизация энергетических затрат на переработку 1 т нефти и т. п.

Состояние объекта управления описывается функциями , = 1,2,..., п, которые называются параметрами состояния (переменными состояния). Совокупность параметров состояния образует вектор состояния:

Чтобы перевести объект управления в желаемое состояние, ведущее к достижению цели управления, необходимо воздействовать на некоторые параметры состояния, называемые управляемыми (или регулируемыми) параметрами. Обозначим их совокупность вектором

Управляемые параметры являются выходными сигналами (выходами) ОУ (рис. 1).

В химической технологии к управляемым параметрам можно отнести температуру, давление, уровень, рН, плотность, концентрацию и другие переменные, характеризующие состояние технологического процесса, к управляющим переменным — расходы теплоносителя, хладагента и т. д. (иногда выражаемые опосредованно через положения затвора клапана, заслонки, обороты двигателя).

Состояние объекта управления может изменяться в результате воздействий на него двух типов: управляющих и возмущающих (см. рис. 1). Оба типа воздействий являются входными сигналами (входами) ОУ. В системах управления ХТП управляющие воздействия представляют собой изменения материальных или энергетических потоков.

Объект управления является открытой системой и находится в динамическом взаимодействии с внешней средой. Изменения внешних условий, влияющие на состояние ОУ, называют возмущающими воздействиями. Вектор возмущающих воздействий:

Рис. 1. Структурная схема объекта управления

Возмущающие воздействия способны вывести ОУ из желаемого состояния. Это своего рода «вредные» воздействия, нарушающие нормальный ход технологического процесса в объекте управления. Вид, характер изменения и величина возмущающих воздействий могут оказаться определяющими при выборе структуры системы управления.

Возмущающие воздействия делятся на:

• контролируемые и неконтролируемые;

• допускающие и не допускающие стабилизацию.

Контролируемые возмущающие воздействия можно измерить (например, изменение расхода вещества, подаваемого из одного аппарата в другой, изменение температуры теплоносителя).

Неконтролируемые возмущающие воздействия невозможно или нецелесообразно измерять непосредственно (например, падение активности катализатора, изменение коэффициентов теплопередачи и массопередачи, изменение давления греющего пара в заводской магистрали). Наличие такого рода возмущающих воздействий требует применения САУ с обратной связью.

Возмущающие воздействия, не допускающие стабилизацию, по условиям работы невозможно или недопустимо стабилизировать (например, изменение температуры окружающей среды).

Возмущающие воздействия, допускающие стабилизацию, — это изменения тех технологических параметров, которые могут быть стабилизированы с помощью специальной аппаратуры или с помощью системы автоматического регулирования. Как правило, такими технологическими параметрами являются параметры входящих в аппарат потоков. Например, можно сгладить колебания расхода на входе в аппарат, установив перед аппаратом ресивер (буферную емкость), а температуру входного потока можно стабилизировать, установив перед аппаратом теплообменник с системой автоматического регулирования температуры.

Иногда возмущающие воздействия делят на внешние и внутренние.

Внешним возмущающим воздействием (или просто возмущающим воздействием) называют воздействие на систему внешней среды. Например, температура окружающей среды влияет на объект регулирования и может вывести его из желаемого состояния (резкое изменение температуры окружающей среды может привести даже к останову химического реактора).

Внутренние возмущающие воздействия возникают внутри системы управления. Например, гранулы ванадиевого катализатора, загружаемые в реактор окисления диоксида серы «в навал», образуют неупорядоченный слой, генерирующий гидродинамические неоднородности, что приводит к появлению «температурных пятен», а это в свою очередь — к изменению активности катализатора, к повышенному его запылению и, как следствие, увеличению гидравлического сопротивления реактора. Таким образом, каталитический реактор является нестационарным объектом, т. е. его свойства изменяются во времени. Однако при исследовании систем управления проще рассматривать объекты как стационарные, а влияние изменяющихся свойств объекта на его состояние выражать с помощью внутренних возмущающих воздействий.

С помощью управляющих воздействий система управления влияет на состояние ОУ для достижения цели управления. Вектор управляющих воздействий:

Управляющие воздействия формируются управляющим устройством (УУ). Формирование управляющих воздействий включает:

• сбор, передачу и обработку необходимой информации;

• анализ информации;

• принятие решений, определяющих управляющие воздействия.

Реализация управляющих воздействий включает передачу управляющих воздействий и при необходимости преобразование их в форму, непосредственно воспринимаемую объектом управления.

Примечание

В простейшем случае управляющим устройством является автоматический регулятор. В более широком смысле под управляющим устройством можно понимать совокупность персонала и автоматических устройств, связанных общей задачей управления, которую называют управляющей системой. Автоматические устройства, входящие в управляющую систему, по своим функциональным признакам можно подразделить на устройства контроля и диагностики, сигнализации, блокировки и защиты, регулирования, управления. Сюда же можно отнести и вычислительную технику.

В любой момент времени состояние детерминированного объекта является функцией начального состояния объекта и входных воздействий (возмущающих и управляющих):

Используя введенные термины, можно сказать, что управление — это определение состояния , обеспечивающего достижение цели, и управляющего воздействия , которое приведет объект в это состояние, удовлетворяя при этом ограничениям, которые накладываются на и

Регулирование отличается от управления тем, что желаемое состояние объекта известно (задано) и для достижения этого состояния необходимо определять только

Значение управляемого параметра, соответствующее желаемому в данный момент состоянию ОУ, будем называть заданным значением и обозначать .

Системой автоматического управления (САУ) называется система, представляющая собой совокупность объекта управления и управляющего устройства, взаимодействие которых между собой обеспечивает процесс управления без участия человека.

Для системы управления входными величинами являются:

• возмущающие воздействия;

• цель управления.

Системой автоматического регулирования (САР) называется совокупность объекта управления и управляющего устройства (называемых в этом случае объектом регулирования и регулятором), которые без участия человека обеспечивают процесс регулирования.

Для системы регулирования входными величинами являются:

• возмущающие воздействия;

• задающее воздействие.

Человеко-машинную систему, обеспечивающую автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для оптимального управления в различных сферах человеческой деятельности, называют автоматизированной системой управления (АСУ). То есть АСУ — это система управления, часть функций которой, главным образом функцию принятия решений, выполняет человек.

Степень участия человека (оператора) в управлении может быть различной и определяется задачами, стоящими перед системой управления, наличием разработанных методов управления и технических средств управления. Возьмем в качестве примера управление химическим реактором непрерывного действия. Вывод реактора на режим, определяемый технологическим регламентом (например, после капитального ремонта), или останов реактора являются довольно сложными задачами управления и решаются с помощью АСУ, т. е. при участии человека. После вывода реактора на технологический режим управление реактором, а также контроль, сигнализация, блокировка и защита реактора осуществляются системой управления без участия человека. Тогда можно считать, что на этапе работы реактора в технологическом режиме система управления является автоматической.

Дата добавления: 2014-01-06