– АСУ технологическими процессами с большим транспортным запаздыванием. К таким достаточно компактным системам относятся и САУ кормоприготовителей, пастеризаторов и других подобных объектов. В этих системах обычно контролируется одна-две величины, содержатся один-два исполнительных органа, несколько аварийных датчиков и механизмов. Так как, несмотря на конструктивные ухищрения, транспортное запаздывание велико, применение ПИД-регуляторов приводит к плохим динамическим и технологическим свойствам установки. Регулируемые объекты для данного класса процессов обычно содержат три и более режима работы (включение, выход на режим, оптимизация производительности, выключение и пр.). В каждом из режимов управление производится по специальному алгоритму.
– Системы управления микроклиматом.
Наиболее простыми среди этого класса являются АСУ микроклиматом жилых и общепроизводственных помещений. В АСУ входят программный задатчик (он изменяет температуру в течение суток и по календарю, чем достигается экономия энергии), клапан центрального отопления, резервный калорифер, вентилятор. Как правило с вентиляцией и программным задатчиком сложностей не возникает, однако система отопления имеет большое транспортное запаздывание, и применение ПИД-регуляторов приводит к слишком медленной реакции системы на возмущающее и задающее воздействие. Кроме того, при отключении центрального отопления, резком снижении температуры улицы необходимо изменять параметры алгоритма регулирования.
К этим проблемам в САУ микроклиматом животноводческих помещений добавляются другие. Для этой задачи требуется более активная вентиляция, при этом применяются кондиционеры и экономайзеры. Кроме того, в птичниках требуется канал регулирования влажности. В процессе работы часто возникает необходимость изменять коэффициенты настройки регуляторов. Эти же проблемы возникают при автоматизации управления микроклиматом овощехранилищ. Дополнительная загрузка и разгрузка изменяют характеристики хранилища и ухудшают качество работы ПИД- регуляторов. Кроме того, на работу САУ оказывает большое влияние состояние измерительных элементов системы, их надежность.
В России сосредоточено большое количество теплиц блочного типа, где используются морально и физически устаревшие системы автоматического управления технологическими процессами. Данный тип САУ, как правило, является многомерным. Используются регуляторы аналогового типа с ПИ- и ПИД- законами регулирования и одним контуром регулирования. Эти системы не обеспечивают качественного, энергоэкономного управления технологическими процессами: они обладают низкой точностью поддержания температуры, особенно при быстро меняющихся внешних воздействиях. При увеличении коэффициента передачи регулятора система переходит в неустойчивый режим работы. Основной причиной неустойчивой работы является запаздывание в контуре обогрева теплицы: на рис.1а показан процесс изменения температуры в теплице, при резком уменьшении температуры кровли и при регулировании системой G-200 (ПИД-закон регулирования). Как видно из рис.1а инерционность водяного отопления (постоянная времени равна 35 мин.) примерно в три раза превышает соответствующие величины для охлаждения кровли во время осадков. Транспортное запаздывание (Тз) в системе отопления составляет 30мин., а для охлаждения кровли при осадках –отсутствует. Как видно из рис.1б, это несоответствие не позволяет САУ, построенной по типовым ПИ- и ПИД-схемам, обеспечить необходимую точность поддержания температуры. Люфт вентиля усугубляет эту проблему. Всё это приводит к длительному и значительному уходу температуры от оптимального режима и к лишним затратам тепловой энергии (рис.1б -Тв-ПИД ). При попытке увеличения коэффициента усиления ПИД-регулятора (для ускорения регулирования) система переходит в колебательный режим. Параметры регулятора установлены оптимальными по методике Циглера и уточнены экспериментально. По кривой температуры воздуха в теплице видно неудовлетворительное качество регулирования – чрезвычайно большая длительность процесса установления необходимого температурного режима. К такому же длительному отклонению от режима выращивания приводят и другие источники воздействий (полив, солнечная радиация и т.п.), так как нет взаимосвязного регулирования температурой и другими параметрами и процессами. Это приводит к ухудшению режимов выращивания, снижению урожайности и увеличению потребления энергии. Улучшение качества управления микроклиматом значительно повышает эффективность производства: снижает энергозатраты и увеличивает урожайность.
1. Большое транспортное запаздывание to в цепи управляющего воздействия. При соотношении tо/tи > 0.2 ПИД- регуляторы обладают низкой точностью поддержания регулируемого параметра, особенно при быстро меняющихся внешних и внутренних возмущающих факторах. Даже при оптимальной настройке наблюдается замедленная реакция на скачок в задании или внешнее возмущающее воздействие (см. рис.1б), а при увеличении коэффициента передачи регулятора система переходит в неустойчивый (колебательный) режим работы.
2. Влияние внутренних и внешних возмущающих факторов. К этим внешним и внутренним факторам относятся:
– резкое изменение внешних условий, приводящее к резкому изменению состояния системы – Х(t). Например, в теплицах выпадение осадков приводит к значительному охлаждению и увеличению теплопроводности кровли теплиц. Повышение солнечной радиации приводит к необходимости зашторивания (для выращивания цветов). В пастеризаторах этим возмущающим фактором является исходная температура сырья, а в кормоприготовителях – влажность зерна. К этому ряду факторов относится и переменная загрузка сырья в различных технологических процессах;
– включение и выключение дополнительных технологических процессов. Например, в теплицах включение полива значительно изменяет климатические параметры теплицы. Включение досвета приводит к такому же результату;
– отказы и аварии оборудования: отказы исполнительных органов (нагреватели, электромоторы, форточки и пр.) и отказы компонентов САУ: компьютера, блока питания и пр. К авариям относится, например, нарушение целостности кровли в теплицах, что резко меняет параметры объекта регулирования;
– отказы датчиков. Отказы датчиков выделены в отдельную графу, т.к. имеется возможность самодиагностики и многократного резервирования этой части системы путем применения избыточного количества датчиков и микропроцессорной обработки.
Система управления должна учитывать эти факторы при регулировании, при этом она должна быстро реагировать на изменения в своем состоянии, в состоянии объекта и соответственно изменять алгоритмы и параметры регуляторов, а также выдавать диагностические сообщения (сигналы). Следует отметить, что известные алгоритмы адаптации при воздействии быстровлияющих возмущающих факторов неэффективны, т.к. они требуют значительного времени наблюдения и рассчитаны на медленное изменение параметров объекта (процесса). Требуется, таким образом, во-первых применять алгоритм регулирования с необходимым качеством управления в условиях большого транспортного запаздывания, во вторых, учитывать возмущающие факторы при регулированиии и в настройке коэффициентов САР.
Управление по отклонению и по возмущению.
САУ с моделью объекта.
Составлено по материалам Аркадия ЕРКОВА,
Алексея ХОРОШАВЦЕВА
Алексея ХОРОШАВЦЕВА