Procesų ir sistemų valdymo pagrindai
5 (100%) 2 votes

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 vienas 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 ekonominei 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 sąvokos

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 stačiakampis 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 mus 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 ir 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 srovės 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). Signalams 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 priskiriami: 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 signalą 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 dažnai 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 tinkamą 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 DIN 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
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;

Šiuo metu Jūs matote 30% šio straipsnio.
Matomi 2190 žodžiai iš 7242 žodžių.
Peržiūrėkite iki 100 straipsnių per 24 val. Pasirinkite apmokėjimo būdą:
El. bankininkyste - 1,45 Eur.
Įveskite savo el. paštą (juo išsiųsime atrakinimo kodą) ir spauskite Tęsti.
SMS žinute - 2,90 Eur.
Siųskite sms numeriu 1337 su tekstu INFO MEDIA ir įveskite gautą atrakinimo kodą.
Turite atrakinimo kodą?
Po mokėjimo iškart gausite atrakinimo kodą, kurį įveskite į laukelį žemiau:
Kodas suteikia galimybę atrakinti iki 100 straispnių svetainėje ir galioja 24 val.