Лекція № 4
Тема. Настроювання та адаптація
параметрів інтелектуальних технологічних комплексів
План
1. Настроювання
параметрів інтелектуальних технологічних комплексів.
2. Вибір
параметрів управління.
3. Адаптація параметрів інтелектуальних
технологічних комплексів.
1. Настроювання параметрів інтелектуальних
технологічних комплексів
Під час створення автоматичних систем
керування технологічними процесами одним з найбільш відповідальних етапів є
розробка оптимального, тобто найефективнішого варіанта технологічного процесу,
що підлягає автоматизації. Розвиток уніфікованих процесів виробництва сприяє
успіху розробки оптимальних, придатних для автоматизації технологічних
процесів. Тому дуже актуальною є проблема типізації, універсалізації і навіть
стандартизації сільськогосподарських технологічних процесів і техніки. Поряд з
великими потоками сировини, енергії, йде великий потік взаємозалежної
інформації, точне і правильне осмислювання цієї інформації, прийняття
відповідних оптимальних рішень і взагалі повноцінне керування виробництвом
можливі тільки при використанні методів і засобів автоматизації. Однак
застосування досягнень автоматизації вимагає певної технологічної підготовки
виробничих процесів.
Досвід переозброєння провідних галузей
народного господарства показує, що ефективність автоматизації залежить від
взаємозалежного рішення трьох основних задач:
1) розробки нових технологічних процесів
і типізації їх;
2) створення технологічного устаткування,
що забезпечує якісне виконання типізованого технологічного процесу;
3) вироблення алгоритмів ефективного
керування технологічними процесами, операціями й устаткуванням за допомогою
технічних засобів автоматики.
Рішення першої задачі вимагає спеціальних
знань і необхідного досвіду з визначення заданих параметрів точності,
продуктивності, способів обробки, транспортування, збереження, зі створення
методів типізації технологічних процесів тощо, тобто потрібні знання і досвід
фахівців-технологів. Типізацію технологічного процесу в сільськогосподарському
виробництві доцільно починати зі складання так званого технологічного ланцюжка.
Технологічний ланцюжок відображає
взаємозв’язок технологічних процесів, окремих операцій і режимів машин, що
беруть участь у їхньому виконанні. Приступаючи до розробки систем автоматичного
керування, розроблювач повинен добре вивчити об’єкт автоматизації, цілком
усвідомити всі можливі режими роботи.
Варто мати на увазі, що розробляти
автоматичні системи керування об’єктом часто потрібно для виробництва різних
рівнів розвитку. У зв’язку з цим ступінь автоматизації і сукупність операцій та
режимів обумовлені рівнем розвитку самого виробництва. Отже, будь-який
технологічний процес можна розділити на операції по-різному. Але при цьому
поділі розробник повинен відповісти на наступні основні питання:
1. Які ціль і завдання системи
автоматичного керування?
2. Які блоки складають об’єкт керування?
3. Які функціональні і керуючі зв’язки є між
блоками, що визначають майбутню систему?
4. Які режими об’єкта керування і його
блоків і скільки технологічно припустимих переходів між цими режимами?
5. Якими конкретними алгоритмами
описується той чи інший режим?
6. Які датчики і виконавчі елементи
можуть бути застосовані для даної системи?
7. Які математичні рівняння, що
характеризують той чи інший режим роботи систем, описують взаємодію керуючих
сигналів і сигналів збурення?
Після аналізу технологічних процесів чи
окремих операцій необхідно встановити весь обсяг інформаційних параметрів, що
характеризують технологію, і всі їх взаємозв’язки. Накопичена відповідно до
поставлених питань інформація повинна бути в компактній і зручній для подальшої
роботи формі. Саме це дає можливість виявити перелік інформаційних параметрів.
Класифікація інформаційних параметрів і
технологічний ланцюжок дозволяють скласти структурну схему системи керування,
що є сукупністю об’єкта керування і керуючого пристрою. Варто мати на увазі, що
неповна і неточна обробка всієї інформації приводить до її перекручування на
наступних рівнях, до запізнювання в прийнятті рішень і заходів для узгодження
дій установок, потокових ліній, цехів і в підсумку до збільшення витрат на
виробництво, зниження рентабельності, псування продукції, тощо.
Об’єкт автоматизації (ОА) – це реальна
технологічна установка, функціонування якої характеризується деякими
показниками якості – технологічними параметрами, що є вихідними координатами, а
також штучно створюваними вхідними впливами, які прямо чи побічно впливають на
стан параметрів.
Найпростіші об’єкти автоматизації мають
одну вихідну величину і відповідно один вхідний вплив. Наприклад, у
водонагрівача-термоса вихідною величиною (параметром) є температура води, а
регулюючим впливом – електрична напруга, що подається на електронагрівники.
До простих можна віднести також
технологічні установки з декількома вхідними і вихідними координатами, якщо між
цими координатами не існує функціональних взаємозв’язків. Такий об’єкт можна
розглядати як декілька найпростіших за відповідними параметрами і каналами
вхідних впливів. Наприклад, при змішуванні комбікорму з водою й іншими
добавками цілком допустимі процеси заповнення змішувача водою, комбікормом тощо
розглядати окремо. І нарешті, складні об’єкти з декількома взаємозалежними
структурами вхідних і вихідних координат вимагають обліку взаємного впливу
суміжних впливів і параметрів. Наприклад, при регулюванні мікроклімату
вентиляція впливає не тільки на концентрацію газів СО2, NH3,
Н2S у приміщенні, але і на температуру і вологість, у свою чергу,
випаровування підвищує вологість і знижує температуру.
При невеликій кількості взаємозалежних
координат звичайно вдається встановити головні для даного процесу параметри,
яким варто віддати перевагу в процесі регулювання, тоді інші можна розглядати
як другорядні (залежні).
Однак у сучасному виробництві багато
технологічних об’єктів набагато більш складніших за структурою взаємозв’язків.
Наприклад, пташник із птахами – це об’єкт із безліччю вихідних координат (якими
є параметри мікроклімату, годівлі і освітлення, збирання посліду і збору яєць,
поїння і санітарного стану) і низкою керованих впливів з обслуговування
поголів’я птахів, тобто вхідними координатами. Між цими координатами існують
визначені зв’язки і взаємозалежності.
Взаємозв’язок між узагальненими
координатами об’єктів керування виражається статичними і динамічними
характеристиками.
Під час рішення задач автоматизації
керування технологічними процесами потрібно мати вихідну інформацію, що
характеризує наступне:
–
дані про ємності об’єктів автоматизації і зв’язки між ними;
– вимоги до показників якості
(параметрів) технологічних процесів;
–
значення, інтенсивність зміни в часі і місце прикладання збурювання;
– значення регулюючого впливу і передатні
властивості регулювальних органів.
Кожна ділянка, де може накопичуватися
речовина чи енергія в об’єкті (ємність), повинна бути охарактеризована окремо і
повинні бути надані дані про з’єднання між всіма ємностями: опір потоків,
характеристика пружних елементів тощо. Для вирішення завдань автоматизації
важливі всебічні відомості про збурення. Насамперед, це кількісна
характеристика як всіх потоків речовини чи енергії розглянутого об’єкта
керування, що беруть участь у технологічному процесі (навантаження), так і
викликаних зовнішніми факторами (перешкоди). Ці дані можуть бути представлені
максимальними, мінімальними чи усередненими значеннями самих потоків чи
залежностями, що їх характеризують, а також ймовірністю сполучення різних
факторів. В одноємнісних об’єктах збурювання можуть бути прикладені на стороні
подачі чи витрати, у багатоємнісних – до різних ємностей, а в об’єктах з
розосередженими параметрами – до певних ділянок. Відомості про регулювальні
органи, через які здійснюється регулюючий вплив на об’єкт керування, беруть з
паспортних даних пристроїв, що здійснюють ці впливи.
Під час розробки схем автоматичного
управління і технологічного контролю застосовують різні прилади і засоби
автоматизації, що сполучаються з об’єктом управління і між собою за певними
схемами. Залежно від використовуваних приладів і засобів автоматизації
(електричних, пневматичних, гідравлічних) і лінійного зв’язку в проектах
автоматизації розробляють схеми, які розрізняють за видами і типами.
За видами схеми підрозділяють на:
електричні, пневматичні, гідравлічні і комбіновані. Найбільшого поширення в
практиці автоматизації технологічних процесів набули електричні прилади і
засоби автоматизації, що пояснюється великою різноманітністю наявної апаратури,
приладів і наявністю на об’єктах джерел електроживлення необхідної потужності і
напруги. У зв’язку з цим найбільшого поширення набули електричні схеми. У
спеціальних умовах, наприклад, в умовах вибухонебезпечних виробництв, у
переважній більшості випадків застосовують пневматичні прилади і засоби
автоматизації. Це зумовило необхідність виконання великого числа різних
пневматичних схем. Через громіздкість гідравлічної апаратури і труднощі
передачі гідравлічних командних імпульсів на великі відстані гідравлічні схеми
набули невеликого поширення. У ряді випадків в проектах зустрічаються
комбіновані електропневматичні, електропневмогідравлічні, пневмогідравлічні і
електрогідравлічні схеми.
За типами схеми автоматизації
підрозділяють на: структурні, функціональні, принципові, монтажні, з’єднань.
Схеми автоматизації, як правило, виконують без дотримання масштабу. У монтажних
схемах дотримується дійсне просторове розташування окремих засобів автоматизації
і монтажних виробів.
У проектах автоматизації використовують
такі електричні схеми як: структурні, функціональні, принципові, з’єднань,
підключень та ін.
Всі апарати, що використовуються в схемах
автоматизованого і автоматичного керування електроустановками, поділяють на:
захисні, командні, проміжні, виконавчі, сигнальні. Вибирають апарати за
призначенням, напругою, величиною струму, кліматичним виконанням, умовами
захисту оточуючого середовища та іншими показниками. При виборі елементів
потрібно враховувати режими роботи робочих машин і механізмів, вимоги до
техніки безпеки, протипожежні правила. Командні апарати розраховані для
створення первинних імпульсів (команд) на вмикання, вимикання та зміну режиму
роботи електроустановки. До них належать шляхові та кінцеві вимикачі,
поплавкові, манометричні, температурні та інші реле, контактні термометри тощо.
Шляхові та кінцеві вимикачі призначені для замикання і розмикання кіл керування
за допомогою упорів (кулачків) в автоматизованих установках, де потрібна подача
командних імпульсів за певного положення механізму. Вони можуть мати контакти
миттєвої та немиттєвої дії. Шляхові та кінцеві вимикачі з контактами немиттєвої
дії можна застосовувати в тих випадках, коли машина рухається зі швидкістю 0,4
м/хв, за швидкостей, менших 0,4 м/хв, потрібно застосовувати кінцеві і шляхові
вимикачі з миттєвим розмиканням контактів.
Командні апарати вибирають за напругою,
струмом, кількістю і видом контактів, виконанням захисту від навколишнього
середовища. Проміжні апарати здійснюють передачу та підсилення первинних
імпульсів, а також забезпечують певну послідовність виконання технологічних
операцій. До проміжних апаратів можна віднести реле напруги різних типів, реле
часу тощо. Промисловість випускає проміжні реле різних серій РП, ПЕ, МКУ та ін.
Вони різняться напругою котушки, кількістю і видом (замикаючий, розмикаючий)
контактів та розривною потужністю контактів або струмом, які можуть комутувати
контакти. Із всіх можливих типів реле потрібно вибирати те, яке споживає
найменшу потужність. Реле часу створює витримку часу між моментом подачі
командного імпульсу на замикання або розмикання кола керування та моментом
здійснення цих операцій. Деякі реле часу (програмні реле) мають багатоконтактну
систему і керують рядом процесів у наперед заданій послідовності. За принципом
дії сповільнюючого органу реле часу поділяють на механічні (маятникові),
електромеханічні, моторні, електромагнітні, електропневматичні, електронні та
ін. Реле часу вибирають за витримкою часу (витримка часу визначається ходом
технологічного процесу), за напругою живлення, розривною потужністю контактів,
кількістю програм тощо. Первинні перетворювачі (датчики тиску, вологості,
температури, рівня) вибирають залежно від параметрів контрольованої величини,
при цьому необхідно враховувати похибку, межі вимірюваної величини. Датчик
вибирають так, щоб величина, яку він вимірює, знаходилась в межах 
діапазону його шкали. Струм, який може
комутувати датчик, повинен бути більшим робочого струму 
Виконавчі апарати призначені для
виконання відповідних робочих функцій системи неавтоматизованого,
автоматизованого та автоматичного керування. До виконавчих апаратів
автоматизованого і автоматичного керування відносять електромагнітні пускачі,
контактори, різноманітні реле тиску, температури, швидкості, електромагнітні
клапани, виконавчі механізми з електродвигунним приводом, який може бути
однообертовим і багатообертовим.
До однообертових відносяться механізми
типу МЕОБ, МЕСК, ДР-М, ДР-ІМ, ІМ-2/120, ІМТМ-4/25, до багатообертових –
механізми типу МЕМ, двигуни постійного струму типу МІ, СЛ, ДПМ. Особливістю
однообертових виконавчих механізмів є те, що їх вихідний вал обертається з
постійною швидкістю на кут, не більший 360°. Необхідний кут повороту
встановлюється за допомогою кінцевих вимикачів. Виконавчі механізми з
електродвигунним приводом вибирають залежно від значень моменту, необхідного
для приводу заслінок. Сигнальні апарати призначені для інформації про хід
технологічного процесу і стан керованого об’єкта, а також для передавання
командних сигналів обслуговуючому персоналу. Для цього застосовуються
електричні звукові і світлові сигнальні апарати. До звукових сигнальних
апаратів належать дзвінки, сирени, ревуни. До світлових апаратів сигналізації
належать сигнальні лампи.
Промисловість випускає арматуру для
сигнальних ламп різних типів: АЕР – з лампами розжарювання потужністю 10 Вт і
АСЛ – з люмінесцентними лампами. В арматуру вмонтовано баластні опори.
Сукупність сигнальних, релейних і комутаційних апаратів утворює систему
сигналізації. Залежно від призначення системи сигналізації бувають:
інформаційні, попереджувальні, аварійні.
Сигналізація положення інформує
обслуговуючий персонал про стан і положення електричних апаратів, машин і кіл,
наприклад, електродвигун ввімкнено, справний чи несправний тощо. Сигнальні
апарати вибирають за напругою, кольором лінз. Для сигналізації положення
застосовують, білі, жовті, зелені лінзи. Для аварійної сигналізації – червоні.
2. Вибір
параметрів управління
Вибір
регульованих величин і каналів внесення впливу регулювання
З багатьох параметрів, що характеризують
процес необхідно вибрати ті, які підлягають регулюванню і зміною яких доцільно
вносити впливи регулювання. Звичайно їх число не перевищує 
частини всіх параметрів, які беруть участь в
управлінні. Виконати таке завдання можна лише за результатами аналізу цільового
призначення процесу і його взаємозв’язків з іншими процесами виробництва.
Виходячи з результатів аналізу, вибирають
критерій управління, його задане значення і параметри, зміною яких найбільш
доцільно на нього впливати. Останнє досягається на основі статичних і
динамічних характеристик процесу, що дають уяву про взаємозалежність
параметрів. Наприклад, залежність виходу цільового продукту від температури і
тиску. Канал регулювання вибирають так, щоб регулюючий вплив супроводжувався
максимальною і швидкою зміною регульованої величини, тобто щоб коефіцієнт
підсилення об’єкта по каналу регулювання був максимальний.
Після вибору критерію управління і
каналів впливу на нього, приступають до аналізу ТОУ з огляду на можливі
збурювання та шляхи їх ліквідації. При цьому особливу увагу звертають на
стабілізацію вхідних параметрів, тому що з їхньою зміною в об’єкт надходять
найбільш сильні збурювання. Як правило, усі збурювання не вдається ліквідувати
до надходження в об’єкт. Особливо важко передбачити і усунути внутрішні
збурювання. Оскільки всі збурювання не можуть бути ліквідовані, вони приводять
до зміни режимних параметрів, а потім і критерію управління. З’являється
необхідність регулювання режимних параметрів, а це призводить до створення
комбінованої системи управління, здійснюючи регулювання критерію управління,
режимних і вхідних параметрів.
Вибір
контрольованих величин. Контролю
підлягають параметри, за значеннями яких здійснюється оперативне управління
технологічним процесом. Такими параметрами є всі режимні і вихідні параметри, а
також вхідні параметри, при зміні яких в об’єкт будуть надходити збурювання.
Обов’язковому контролю підлягають параметри, значення яких регламентуються
технологічною картою.
Вибір
величин сигналізації. Вибір
починають після аналізу ТОУ щодо його вибухо- та пожежонебезпеки, токсичності
та агресивності оброблюваних речовин, можливих аварій та нещасних випадків.
Передаварійній (а при необхідності
попереджувальній) сигналізації підлягають параметри, граничні значення яких
можуть призвести до:
- вибуху і пожежі;
- нещасних випадків;
- аварій;
- виходу з ладу обладнання;
- істотного порушення технологічного
режиму;
- випуску некондиційної продукції і браку.
Сигналізації підлягає:
- факт зміни кількісних і якісних
характеристик цільової продукції;
- не передбачена технологічним регламентом
зупинка окремих агрегатів.
Вибір
параметрів і способів захисту
Оперативний персонал під час оповіщення
пристроями сигналізації про небажані події повинен ужити відповідних заходів із
їхньої ліквідації. Якщо ці заходи виявляться неефективними і параметр досягає
аварійного значення, повинні спрацювати системи протиаварійного захисту (ПАЗ),
які автоматично по заданій програмі перерозподіляють матеріальні або
енергетичні потоки, включають і відключають апарати об’єкта з метою запобігання
вибуху, аварії, нещасного випадку і т. д. Повернення ТОУ в робочий стан після
спрацьовування ПАЗ здійснюється технологічним персоналом. Комплекс реалізованих
способів захисту розробляють, виходячи з особливостей ТОУ, аналізу аварійних
ситуацій і категорії вибухонебезпечності ТОУ. У випадку відключення живлення
система ПАЗ повинна забезпечити переведення ТОУ в безпечний стан.
3. Адаптація параметрів інтелектуальних
технологічних комплексів
Природним напрямком розвитку ПІД-регуляторів є розробка методів,
що дозволяють знизити витрати людської праці на їх інсталяцію, настройку і
обслуговування. Налаштування може виконуватися вручну або автоматично, без
участі людини (автонастройка).
Автонастройка може виконуватися повністю автоматично і «за
вимогою», коли людина є ініціатором настройки. Повністю автоматична настройка
може ініціюватися при настанні заздалегідь заданої умови, наприклад, при зміні
навантаження, зовнішніх впливів, похибки регулювання, або безперервно в часі.
Автоматична настройка, що ініціюється без участі людини, називається
адаптацією. Прикладом адаптації може бути автонастройка при зміні числа яєць в
інкубаторі або навантаження на валу двигуна. Різновидом адаптації є розімкнуте
управління параметрами регулятора (таблична автонастройка), коли заздалегідь
знайдені параметри регулятора для різних умов роботи системи заносяться в
таблицю, з якої вони витягуються при настанні умов, за якими ініціюється
адаптація.
Адаптація в принципі є повільним процесом, тому її не можна
розглядати як безперервне спостереження параметрів регулятора за змінними
параметрами об'єкту.
Відзначимо, що регулятори, налаштовані в автоматичному режимі,
частіше налаштовані гірше, ніж налаштовані в ручному режимі. Пояснюється це
філософським міркуванням, що комп'ютер не може виконувати складні і погано
формалізуючі завдання краще людини.
На даний момент відсутні прості, надійні і загальноприйняті методи
автоматичної настройки.
Найпростішим методом адаптації ПІД-регулятора до змінних
властивостей об'єкта управління є табличне управління коефіцієнтами регулятора.
Цей метод може використовуватися не лише для адаптивного управління, але і для
керування нелінійними об'єктами, нестаціонарними процесами, коли необхідно
змінювати параметри залежно від певних умов.
Принцип табличного управління дуже простий. Знаючи заздалегідь
можливі зміни режиму роботи системи (наприклад, можливі варіанти завантаження
інкубатора яйцями), виконують ідентифікацію об'єкта для декількох різних
режимів і для кожного з них знаходять параметри регулятора. Значення цих
параметрів записують в таблицю. У процесі функціонування системи вимірюють
величину, яка характеризує режим роботи системи (наприклад, вага яєць – за
допомогою датчика ваги, або рівень рідини в автоклаві за допомогою датчика рівня)
і в залежності від її значень вибирають з таблиці величини коефіцієнтів
ПІД-регулятора.
Описану систему можна розглядати як систему з двома контурами
регулювання. Однак контур, службовець для адаптації, в нашому прикладі з рівнем
рідини в автоклаві або вагою яєць в інкубаторі є розімкненим. З цієї причини
табличне управління характеризується високою швидкодією, відсутністю
помилкового спрацьовування або розбіжності алгоритмів адаптації.
У загальному випадку таблиця може бути багатовимірною; для
зменшення її розмірності можна застосовувати інтерполяцію даних за допомогою
сплайнів. Недоліком цього методу є великі витрати на початкову ідентифікацію,
необхідну для складання таблиці. Проте частково цю проблему можна вирішити
використанням спеціальних програмних засобів для автоматичної ідентифікації та
адаптації регулятора, які дозволяють автоматично заносити отримані параметри в
таблицю.
Табличне управління коефіцієнтами регулятора доцільно
використовувати в тих випадках, коли заздалегідь відомі види і величини
дестабілізуючих факторів, які до того ж можна виміряти.
