Вопрос №1. "Понятие системы. Примеры системы. Свойства сложных систем"

Вид материала

К функциональной структуре АСУТП относятся
При структурном подходе выделяют виды архитектур
Пропорционально - интегральный закон
Математические модели
Алгоритмы в АСУТП

Подобный материал:

1 2 3 4 5 6 7

функциональный подход, при котором рассматриваются способы реализации и степень автоматизации функций контроля и управления, и их взаимодействие между собой;

структурный подход, при котором рассматриваются способы реализации технической структуры системы.

К функциональной структуре АСУТП относятся:

архитектура централизованного контроля и управления - для нее характерно отсутствие единой информационной базы и независимость функций друг от друга, в том числе информационных и управляющих;
архитектура информационно - вычислительных систем (ИВС) - для нее характерна единая система сбора информации, первичная обработка и формирование информационной базы. Остальные функции решаются на основе информации, имеющейся в базе. Недостаток в том. что управляющая часть автоматизирована слабо;
архитектура управляющих вычислительных систем (УВС) в режиме советчика - промежуточная между информационными и управляющими системами. Отличается от ИВС тем, что на основе единой информационной базы дополнительно решаются функции мат. моделирования и формирование рекомендаций по управлению;
архитектура УВС - супервизор: в системах с супервизорным управлением, кроме рекомендаций, формируются непосредственно команды, обеспечивающие координацию функций управления;
архитектура УВС непосредственного цифрового управления - на основе единой информационной базы реализуются и функции логического управления, и автоматического регулирования.

При структурном подходе выделяют виды архитектур:

децентрализованная архитектура:

в них отдельные структурные подсистемы АСУТП независимы друг от друга. Каждая подсистема имеет свой сбор информации, свою обработку, свой оперативный персонал. При выходе одной подсистемы из строя, остальные продолжают работать.

централизованная архитектура:

в них все информационные и управляющие функции централизованы в одном центре обработки информации.

Недостатки архитектуры:

потеря работоспособности при выходе из строя центра обработки информации;

высокая информационная нагрузка на центр обработки информации;
большое количество кабельных связей.

Преимущества:

возможность координированного управления;
персонала немного.

иерархическая архитектура предполагает наличие в технической структуре системы нескольких уровней сбора и обработки информации. На нижнем уровне осуществляется сбор информации и управление исполнительными механизмами, на средних - предварительная обработка информации и координация систем нижнего уровня, на верхнем - формирование обобщенной информации и управление объектом в целом.
сетевая архитектура:
магистральная - основным элементом является сетевая магистраль, к которой в качестве абонента АСУТП подключаются отдельные структурные элементы АСУТП и оперативный контур. С информационной точки зрения сетевая магистральная архитектура может быть централизованной и распределенной, в зависимости от того, какие протоколы обмена используются в сети. Недостатки:

- живучесть системы целиком зависит от надежности магистрали;

- в АСУТП для реализации функций управления используют разные виды сетей, а в магистральной архитектуре используется один вид.

распределенная многоуровневая:

Сети нижнего уровня используются для первичного сбора информации и управления исполнительными механизмами. На среднем уровне управления используются сети с произвольным доступом и дисциплиной передачи маркера. С помощью этих сетей реализуется задача обмена с сетями нижнего уровня, функции автоматизации регулирования, логического управления и координация работы отдельных подсистем. На верхнем уровне используются сети со случайным доступом, в которых работает оперативный контур. На каждом уровне может быть несколько сетей одного или различных типов.

Вопрос №54. "Основные элементы АСУТП".

Основными элементами АСУТП являются совокупность средств обработки и сбора информации и технических средств воздействия на объект (исполнительный механизм).

Вопрос №55. "Подсистемы и функции АСУТП".

Функции АСУТП:

I. информационный класс:

1. измерение - определение значений технологических параметров;

2. контроль - сравнение измеренных значений с заданными;

3. сигнализация - оповещение об отклонениях параметров от заданных значений;

4. регистрация - накопление измеренных значений параметров;

5. отображение информации оперативному персоналу;

вычислительного характера:

6. косвенное измерение - вычисление значений параметров, измерить которые непосредственно невозможно;

7. расчет технико - эксплуатационных показателей - количество выработанной электрической, тепловой энергии и т.д.;

8. формирование оперативной отчетности работы оперативного персонала;

9. прогнозирование поведения объекта на основе мат. моделирования.

II. управляющий класс:

1. автоматическое регулирование - автоматическое поддержание значений технологических параметров в заданных пределах и обеспечение необходимого качества переходных процессов;

2. логическое управление - формирование совокупности дискретных значений управляющих воздействий в зависимости от выполнения определенных условий или в определенной временной последовательности;

3. блокировки - автомат. запрет выполнения определенных операций по управлению;

4. дистанционное управление - команды формируются оператором дискретно;

5. функционально - групповое управление - автомат. выполнение сложной технологической функции во времени;

6. функция защит - функция включения специальных защитных технологических систем, которые предотвращают возникновение аварий или позволяют локализовать ее последствия;

вычислительного характера:

7. формирование рекомендаций по управлению;

8. функция оптимального управления объектом в целом.

Подсистемы АСУТП:

функциональные - совокупность программно-технических средств автоматизации и персонала, реализующая определенную функцию управления;
структурные - совокупность программно-технических средств автоматизации и персонала, осуществляющих управление отдельными структурными элементами технологического объекта.

Вопрос №56. "Виды обеспечения АСУТП".

общесистемные решения - решения, определяющие принципы построения и архитектуру системы;
организационное обеспечение - содержит комплект документов, определяющих состав и функции персонала, регламент работы системы и порядок работы персонала при ее эксплуатации;
информационное обеспечение - совокупность массивов информации, документов;
математическое обеспечение - совокупность мат. моделей и алгоритмов управления, реализуемых в системе;
программное обеспечение - совокупность программ, обеспечивающих работу АСУТП;
техническое обеспечение - совокупность технических средств автоматизации.

Общесистемные решения, техническое и математическое обеспечения играют особую роль.

Вопрос №57. "Законы регулирования в АСУТП".

Законы регулирования - функциональные зависимости, реализуемые автоматическими регуляторами в АСУТП в составе систем автоматического регулирования.

Основные законы регулирования:

пропорциональный;
пропорционально - дифференциальный;
пропорционально - интегральный;
пропорционально - интегрально - дифференциальный.

Простейшая схема регулирования имеет следующий вид:

x_вх ∆x U x

Зад Р ОУ

ОУ - объект управления,

Р - регулятор,

Зад - задатчик,

∆x = x_вх - x - рассогласование.

Регулятор преобразует ∆x так, чтобы на входе объекта управления присутствовал управляющий сигнал U, обеспечивающий необходимое качество регулирования.

Основными параметрами, характеризующими качество регулирования являются:

время регулирование - время от момента поступления управляющего воздействия до достижения заданного значения с установленной точностью;
перерегулирование - величина максимального превышения заданного уровня регулируемой величины, которая обеспечивается регулятором;
колебательность - количество колебаний выходной величины до достижения установленного значения;
точночность.

Законы автоматического регулирования должны обеспечивать по возможности минимальное время регулирования,отсутствие или минимальное значение перерегулирования, отсутствие или минимальное значение колебательности.

Пропорциональный закон регулирования имеет вид:

U = k * ∆x, где k - коэффициент передачи регулятора.

Пропорциональный регулятор при увеличении k обеспечивает уменьшение времени регулирования, но при больших величинах k в системе может возникнуть колебательный эффект. Пропорциональный регулятор обладает ненулевой статической ошибкой регулирования, т.е. нельзя точно достичь заданную величину.

x y

Передаточная функция такой системы имеет вид:

W(k) = y / x = k / (1 + k).

Выходная величина: y = k * x / (1 + k).

Статическая погрешность регулятора: x - y = ∆ = x / (1 + k).

Для того чтобы улучшить динамические характеристики пропорционального регулятора в его состав можно ввести динамические звенья:

дифференцирующее звено;
интегрирующее звено;
дифференцирующее и интегрирующее звено.

Пропорционально - дифференцированный закон регулирования имеет вид:

U = k_п * (1 + T_д * p) * ∆x,

где p - оператор дифференцирования,

T_д- постоянная времени дифференцирования,

k_п - коэффициент передачи.

Управляющий сигнал пропорционален входному сигналу и первой производной этого входного сигнала.

Пропорционально - дифференцированный регулятор обеспечивает меньшее время регулирования, чем пропорциональный регулятор и меньшую колебательность. Пропорционально - дифференцированный регулятор обладает статической ошибкой:

∆ = x_зад / [1 + k * (1 + T_д * p)]. В установившемся режиме x = const, следовательно, производная от x равна 0, ∆ = x_зад / (1 + k).

Пропорционально - интегральный закон имеет вид:

U = k * (1 + 1 / T_и * p) * ∆x, где T_и - постоянная времени интегрирования.

Статическая погрешномсть нулевая.

Пропорционально - интегрально - дифференциалный закон сочетает в себе пропорционально - дифференциальный и пропорционально - интегральный.

Вопрос №58. "Математическое обеспечение АСУТП. Определение и состав".

Математическое обеспечение - совокупность математических моделей и алгоритмов, используемых для реализации функций управления.

Математические модели - система мат. уравнений, описывающих характеристики объекта моделирования. Модель характеризуется переменными, параметрами и функциональными зависимостями.

Применительно к мат. моделям АСУТП переменными являются:

управляющие воздействия (параметры на выходе);
управляемые переменные (параметры на входе);
возмущающие воздействия (описывают характер внешнего влияния на объект).

Функциональные зависимости - мат. выражения, которые увязывают входные и выходные параметры модели.

Параметры - значения коэффициентов и других констант, входящих в функциональную зависимость.

Модели используются при реализаций функций АСУТП, требующих количественной оценки отклика объекта на управляющее воздействие. Функции:

автоматическое регулирование;
прогнозирование;
рекомендации оператору.

Классификация мат. моделей АСУТП:

1. По способу построения:

теоретические (аналитические) строятся по данным о внутренней структуре объекта;
формальные, для построения которых не надо знать физическую природу объекта. С объектом проводятся эксперименты, затем обрабатываются выходные параметры. В результате получаем зависимости между входными и выходными параметрами, которые можно описать аналитически.

2. По типу языка описания:

текстовые содержат описание объекта;
графические - топологические схемы;
математические.

3. По зависимости переменных от времени:

статические (не зависят от времени) - для описания в установившихся режимах;
динамические (зависят от времени) - для описания переходных режимов, когда параметры объекта существенно изменяются во времени.

4. По зависимости параметров модели от пространственных координат:

с распределенными параметрами - описываются диф. уравнениями в частных производных;
с сосредоточенными параметрами.

5. По степени учета случайных факторов:

статистические (учитывают случайные факторы);
детерминированные (не учитывают случайные факторы).

Для целей управления в АСУТП детерминированные динамические модели.

Виды динамических моделей в АСУТП:

диф. уравнения описывают динамическую зависимость между входными и выходными переменными.

В общем виде это линейное диф. уравнение:

n d^kx_вых(t) m d^lx_вх(t)

∑

a_k * = ∑b_l * , где a_k и b_l - переменные.

k=0 dt^k l=0 dt^l

В моделях АСУТП диф. уравнения выше 2-го порядка практически не используются.

переходная характеристика h(t) описывает изменение выходной величины моделируемого объекта при скачкообразном изменении входной величины на единицу при нулевых начальных условиях. при подаче на вход скачкообразного сигнала единичной величины, на выходе получается плавная кривая - переходная характеристика, по виду которой определяют диф. уравнение.

импульсная характеристика k(t) - зависимость выходной величины от дельта функции δ(t), т.е. импульсная характеристика показывает изменение выходной величины от подачи на вход объекта единичного импульса нулевой ширины. Импульсная характеристика представляет собой первую производную от переходной характеристики:

k(t) = dh(t) / dt.

частотные характеристики W(jw)определяет изменение амплитуды и фазы выходной величины в установившемся режиме при подаче на вход объекта гармонического воздействия (синусоиды).

Входная величина: x_вх = A * sinwt.

Выходная величина равна сумме гармоник:

n

x_вых = ∑ B_j * sin(wt + φ_j),

j=0

где B_j - амплитуда j-ой гармоники,

φ_j - фазовый сдвиг j-ой гармоники.

Чаще всего объекты носят линейный характер. Для линейной системы выходной величиной является синусоидальный сигнал:

x_вых = B_j * sin(wt + φ).

Если менять частоту входного сигнала 0 < w < ∞, то ампдитуда и фаза выходного сигнала будут меняться.

Частотная характеристика - функция частоты и времени:

W = x_вых (w) / x_вх(w) = B(w) * sin(wt + φ(w)) / A * sinwt.

Чтобы перейти к функции от частоты, необходимо применить преобразование Фурье:

∞

⌠

F(jw) = ⌡ f(t) * e^-^j^w^tdt.

- ∞

После этого получим:

W(jw) = x_вых (jw) / x_вх (jw) = ∑ b_l * (jw)^l / ∑ a_k * (jw)^k = B(w) * e^j^φ⁽^w⁾ / A.

На практике рассматривают отдельно зависимость амплитуды от частоты и зависимость фазы от частоты, т.е. характеристики:

амплитудно - частотную - отношение амплитуды выходного сигнала к амплитуде входного сигнала в зависимости от частоты;
фазово - частотную характеристику - изменение фазы выходного сигнала по отношению к входному в зависимости от частоты.

Частотная характеристика есть преобразование Фурье от импульсной характеристики:

W(jw) = F [ k(t) ].

передаточная функция - отношениеизображения по Лапласу выходной величины объекта к изображению по Лапласу при нулевых начальных условиях.

Преобразование Лапласа связывает функцию комплексной переменной (изображение) с соответствующей функцией действительной переменной (оригинал):

∞

⌠

L (s) = ⌡ f(t) * e^-^s^tdt,

- ∞

где s = α + jβ - комплексное число,

f(t) - оригинал,

L(s) - изображение.

С помощью проебразований Лапласа диф. уравнение примет вид:

∑ a_k * s^k * X_l_вых = ∑ b_l * s^l *X_l_вх.

Следовательно, передаточная функция - функция комплексной переменной:

W(s) = X_l_вых / X_l_вх = ∑ b_l * s^l / ∑ a_k * s^k = (b₀ + b₁s +b₂s² + ...) / (a₀ + a₁s +a₂s² + ...).

Алгоритмы в АСУТП:

Алгоритм - совокупность операций, реализуемых в строго определенной последовательности, выполнение которых приводит к решению конкретной задачи или достижению конкретного результата в соответствии с заданными критериями.

Алгоритм должен обладать следующими свойствами:

однозначность;
непротиворечивость;
конечность (результат должен был получен за конечное число шагов);
массовость (независимость от исходных данных).

В АСУТП существуют алгоритмы реализации основных функций АСУТП, т.е.

алгоритмы сбора и первичной обработки первичной информации;
алгоритмы сигнализации;
алгоритмы автоматического регулирования;
алгоритмы логического управления;
алгоритмы технологических и аварийных защит;
алгоритмы отображения информации;
алгоритмы мат. моделирования;
алгоритмы расчета технико - экономических показателей.

Алгоритмы реализации конкретных функций в АСУТП формируются на основе библиотеки элементарных алгоритмических модулей. В состав такой библиотеки входят:

модули контроля достоверности информации;
модули масштабирования входных сигналов;
модули фильтрации входных сигналов;
модули восстановления информации от конкретных типов датчиков;
модули реализации элементарных функций;
модули моделирования динамических звеньев (усилительного, дифференциального, интегрирующего звеньев);
модули нелинейных элементов (зона нечувствительности, зона ограничения, релейные элементы);
модули интерполяции нелинейных функций;
модули логических операций;
модули автоматического регулирования;
модули метрологического обеспечения (вычисление мат. ожидания, дисперсии).

Пользуясь библиотекой можно сконструировать нужный алгоритм.

Рассмотрим модуль масштабирования входных сигналов. На выходе датчиков формируется электрический сигнал: напряжение ил ток. Обработка информации должна проводиться в единицах измерения натуральных величин. Перевод значения электрической величины в значение натуральной величины называется масштабированием.

T⁰ T⁰ = C + (D - C) * (I - A) / (B - A) - алгоритм перевода величины I

в T⁰.

D T⁰ - температура, I - сила тока.

x_вх (I)

A B

Blog

Вопрос №1. "Понятие системы. Примеры системы. Свойства сложных систем"