1520

Первый (нижний) уровень иерархии состоит из множества систем управления отдельными технологическими операциями. Целью управления на этом уровне обычно является выбор и поддержание заданных режимов выполнения технологических опе-

раций. Здесь управление сводится к контролю параметров технологических режимов и к воздействию непосредственно на технологическую операцию.

Второй (следующий) уровень иерархии включает системы управления произ-

водственными участками и технологическими линиями. Основная цель управления та-

кими объектами состоит в выборе и поддержании режима совместного функциони-

рования агрегатов, станков и оборудования, на которых выполняются взаимосвязанные технологические операции, образующие технологический процесс. На этом уровне производится корректировка параметров каждой операции технологического процесса в зависимости от случайного или вынужденного изменения режимов других, связанных с ней операций.

Совокупность систем управления первого и второго уровней будем называть

системами управления технологическими процессами (СУТП) /4/. Третий уровень ие-

рархии составляют системы управления цехами. Цель управления цехом — организа-

ция выпуска заданного количества изделий конкретной номенклатуры в заданные сро-

ки с требуемым качеством и наименьшими затратами. Для реализации такой цели в процессе управления необходимо выполнять функции организационного и экономиче-

ского характера. Эта особенность качественно отличает критерии и алгоритмы управ-

ления, используемые на данном уровне, от применяемых в управлении технологиче-

скими процессами.

Объектом управления на четвертом уровне иерархии является предприятие в целом. Цель управления заключается в организации совместного функционирования цехов для выпуска готовой продукции в заданном количестве при заданных технико-

экономических показателях. Совокупность систем управления третьего и четвертого уровней называют системой управления предприятием (СУП). Рассмотрим общую ха-

рактеристику систем управления технологическими процессами и системы управления предприятием.

3.2. Характеристика систем управления технологиче-

скими процессами

Взаимосвязанную совокупность оборудования, на котором выполняется техно-

логический процесс, назовем технологической системой. Отвлекаясь от физической сущности, представим технологическую систему в виде многомерного объекта, описы-

ваемого тремя группами переменных.

Первую группу переменных обозначим вектором W (t}, составляющие которого

W1 (t), ..., Wm (t) представляют собой параметры, характеризующие свойства и количе-

ство входных продуктов (температура, химический состав, механические свойства,

размеры, количество и т. п.). Вторая группа переменных V (t) = {V1 (t), ..., Vn(t)} пред-

ставляет собой параметры, характеризующие свойства выходного продукта. Третья группа составлена из параметров, характеризующих условия протекания технологиче-

ского процесса. Обозначим их векторной переменной Z (t} = {Z1 (t), ...,Z.i (t).} К этим параметрам, как правило, относятся давление и температура в технологическом агрега-

те, скорость и координаты рабочих частей механизма, производительность и др. Выде-

лим среди перечисленных переменных те, которые могут характеризовать состояние технологической системы (вектор состояния), и управляющие переменные (вектор управления).

В общем случае состояние технологической системы характеризуется всеми вы-

деленными выше переменными. Действительно, для определения управляющего воз-

действия нужна информация как о свойствах и количестве входных и выходных про-

дуктов, так и об условиях протекания процесса. Однако размерность векторов W (t), V

(t) и Z (t) в реальных технологических системах обычно весьма велика и превышает возможности управляющего органа (оператора или автоматического устройства) по об-

работке информации. Кроме того, на практике часть переменных либо не требуется из-

мерять, т. е. они несущественны с точки зрения цели управления, либо измерять невоз-

можно из-за технических сложностей.

Поэтому только часть составляющих векторов W (t), V (t) и Z (t) используют для формирования вектора состояния х (t}. Переменные вектора состояния условно разо-

бьем на две группы. В первую группу включим те переменные, которые можно целена-

правленно изменять в процессе управления. Назовем их управляемыми переменными.

Вторую группу составим из переменных, которые измеряются и используются при формировании управляющего воздействия, но не могут целенаправленно изменяться при управлении данным технологическим процессом. Такими переменными являются,

например, показатели качества входного продукта. Их необходимо учитывать при управлении, но активно влиять на них невозможно.

В качестве управляющих переменных обычно выбирают те составляющие век-

торов W (t) и Z (t), целенаправленное изменение которых технически возможно и суще-

ственно влияет на показатель цели управления.

Таким образом, выбор переменных для описания состояния и управляющих пе-

ременных зависит от цели управления технологическим процессом, от возможностей измерения свойств входных и выходных продуктов, а также от особенностей и физиче-

ских свойств технологической системы.

Переменные векторных функций W (t) и Z (t}, не использованные при формиро-

вании вектора состояния и вектора управления, могут рассматриваться как неконтро-

лируемые возмущающие воздействия, приложенные к технологической системе (век-

тор возмущений).

Поэтому технологическую систему можно представить схемой (рис.15). На ее информацион-

ные входы действуют векторные функции u(t)

(вектор управления) и f (t} (вектор возмущения), а

на информационном выходе — векторная функция

Рис.15 Схема технологической системы

х (t) (вектор состояния), т. е. технологическую сис-

тему можно представить как преобразователь функций u (t) и f (t) в функцию х (t). Каж-

дая выходная переменная х1 (t), ..., Xk (t) в общем случае определяется всеми входными переменными. Поэтому /5/

где F—оператор преобразования.

Выражение (7) является формальным описанием технологической системы, т. е.

моделью. Конкретное выражение оператора F зависит от физических свойств техноло-

гической системы и устанавливается при ее идентификации .

Определим технологический процесс как целенаправленную смену состояний технологической системы во времени. Формально его можно описать вектор-функцией х (/) = {x1(t), ..., xk(t)}. Таким образом, состояние технологического процесса и состоя-

ние технологической системы характеризуются одними и теми же переменными x1, x2,

... , xk которые назовем параметрами технологического процесса.

Задачу управления технологическим процессом можно сформулировать сле-

дующим образом: найти такое состояние технологического процесса х* (t) (технологи-

ческий режим) и такое управляющее воздействие u* (t), которые удовлетворяют как цели управления, так и ограничениям вида (3). В большинстве практических случаев при управлении технологическим процессом определение программы управления (пла-

на) х* (t) и формулирование управляющего воздействия u* (t} (регулирование) разделе-

ны по времени и осуществляются в форме двух последовательных процедур.

Графически управление технологическим процессом можно представить в про-

странстве параметров его состояния х (t) следующим образом (рис. 16). Программа управления — это фазовая траектория х* (t}. Ход технологического процесса пред-

ставляется фазовой траекторией Хp (t), которая описывает процесс регулирования.

Траектории х* (t) и Кр (t) совпадают лишь в идеальном случае. Реальный про-

цесс несколько отклоняется от х* (t).

В промышленности существует множество

Системы программного регулирования. Если технологический режим не за-

висит от внешних условий (например, качества исходного сырья) и может быть рассчи-

тан заранее, то целью управления является минимизация отклонения текущих значений управляемых переменных от заданных, т. е. требуется осуществлять регулирование технологического процесса по заданной программе. Формально программу регулиро-

вания можно выразить вектором х* (t). Тогда процесс программного регулирования в пространстве технологических параметров можно представить как движение по фазо-

вой траектории х (t), близкой к х* (t) (рис. 16). Введя меру близости этих траекторий,

можно определить качество регулирования технологического процесса.

В частном случае, когда все составляющие вектор-функции х* (t) — постоянные величины, т. е. x*1 = const, x*2 == const, ... x*k = const, процесс регулирования сводится к стабилизации технологических параметров. Системы, осуществляющие такое ре-

гулирование, называют системами стабилизации.

Примерами процессов, требующих программного регулирования параметров,

могут служить: термическая обработка материалов, в ходе которой температура в печи изменяется по заранее определенному закону; резание металлов, при котором коорди-

наты рабочих органов изменяются по заданной программе. Системы стабилизации ис-

пользуются для поддержания постоянных значений напряжения электрогенераторов,

числа оборотов электродвигателя, давления, температуры, расхода компонентов сырья,

концентрации в химико-технологических процессах.

Регулирование параметров характерно для непрерывных технологических про-

цессов. В дискретных процессах технологический режим часто определяется порядком и длительностью выполнения технологических операций. Переход к очередной опера-

ции осуществляется после окончания предыдущей и может быть как условным” так и безусловным. В технологических процессах такого типа программное регулирование заключается в реализации последовательности и длительности операций в соответст-

вии с заданной программой.

Системы оптимизации параметров технологических процессов. В ряде процес-

сов наилучший в определенном смысле технологический режим не может быть задан заранее, так как его выбор зависит от ряда факторов, информация о которых появляется в ходе процесса. Рассмотрим, например, процесс, в котором для определения техноло-

гического режима, обеспечивающего наилучшее качество выходного продукта, необ-

ходимо знать свойства входного продукта. Если свойства этого продукта изменяются в широких пределах и закон изменения неизвестен, то рассчитать технологический ре-

жим заранее невозможно. Следовательно, его требуется определять при управлении технологическим процессом. Предположим, что зависимость качества выходного про-

дукта от свойств входного описывается функцией Q = Q [хk(t), х (t)], где х (t) — текущее значение управляемых переменных; Хk (t) — контролируемые переменные, характери-

зующие свойства входного продукта.

Для определения технологического режима требуется найти такое значение х (t) = х* (t), которое обеспечивает /6/

Рис.17 Схема системы экстремального управления

Технологический режим х* (t) является оптимальным по критерию (8). Возмож-

ная схема системы, реализующей описанное управление для технологического процес-

са с одной управляемой переменной, изображена на рис. 17. Вычислительное устройст-

во, которое назовем программатором ПР, получает информацию о текущих значениях управляемой переменной х (t) и переменной хk. (t), характеризующей свойства входного продукта, и на основе критерия оптимальности (8) вычисляет х* (t). По ошибке регули-

рования (t), определяемой элементом сравнения, устройство регулирования УР фор-

мирует регулирующее воздействие и (t).

Кроме критерия оптимальности, описанного в примере, возможны и другие. В

частности, весьма распространены критерии, на основе которых выбирается наилуч-

ший в экономическом смысле технологический режим при заданном уровне качества выходного продукта. При этом используются такие экономические показатели, как стоимость потребляемой энергии, компонентов входных продуктов, себестоимость вы-

ходного продукта и др.

Таким образом, для осуществления оптимального управления необходимо, во-

первых, экстремизируя заданный критерий, найти оптимальную программу управления

(технологический режим), во-вторых, регулировать технологический процесс, исполь-

зуя технологический режим как задающее воздействие. Построенные на этом принципе системы управления являются оптимальными по программе управления и называются

экстремальными системами управления.

Кроме программы управления объектом оптимизации могут быть динамические характеристики технологического процесса. Рассмотрим простой пример. Пусть техно-

логический режим задан в виде вектор-функции х* (t). Для простоты будем считать, что

х* = const. В пространстве технологических параметров х* можно представить точкой

(рис. 18).

Системы оптимизации порядка выполнения технологических операций.

Выше отмечалось, что в дискретных процессах технологический режим определяется порядком и длительностью выполнения технологических операций. Выбор порядка и длительности, т. е. программы управления, заключается в определении времени начала и окончания операций на определенном станке с учетом заданной технологии обработ-

ки деталей, производительности станков, длительности их переналадки и ряда других факторов. Критерием оптимальности является время технологического цикла, которое требуется минимизировать.

Для оптимального выбора программы требуется решить задачу комбинаторного типа, размерность которой зависит от разнообразия обрабатываемых деталей и числа обрабатывающих станков. Число различных вариантов программы оценивается вели-

чиной (m!)n, где m — число типов обрабатываемых деталей, п — число обрабатываю-

щих станков. Очевидно, даже для небольшого технологического участка (три-четыре станка, пять-шесть деталей) число вариантов программы оказывается столь большим,

что исключает возможность использования простых вычислительных алгоритмов для отыскания оптимального решения. Практическая значимость задач этого типа обусло-

вила развитие большого количества методов их решения, совокупность которых со-

ставляет теорию расписания или календарное планирование.

Дискретное производство в отличие от непрерывного характеризуется большей стабильностью технологического режима, что позволяет рассчитывать его заранее, а в процессе управления осуществлять лишь оперативное регулирование. Поэтому выбор программы управления в дискретных производственных процессах

выделен в самостоятельную функцию управления — планирование работы тех-

нологических подразделений (участок, линия и т. п.).

Системы управления манипулированием. Операции манипулирования вы-

полняются устройствами, в некоторой степени имитирующими двигательные функции человека. Эти устройства принято называть роботами-манипуляторами.

жение схвата. Одной из главных задач управления манипулированием является опреде-

ление таких траекторий движения звеньев манипулятора (в данном случае шарниров) в

заданной системе координат.

4. АДАПТИВНЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ НЕПРЕРЫВНЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

4.1. Задачи управления и обработки информации

Современные технологические, процессы (ТП) представляют собой сложные системы, состоящие из большого числа технологических агрегатов и установок. Сис-

темы управления ТП представляют собой иерархические системы, в которых каждый уровень иерархии выполняет свои задачи управления, увязанные с задачами управле-

ния на более низких и более высоких уровнях иерархии. При разработке и исследова-

нии таких систем наиболее эффективен системный подход, а наиболее распространен-

ным методом исследования систем является метод декомпозиции. Рассмотрим управ-

ление ТП на нижнем и среднем уровнях иерархии АСУ ТП — задачи управления тех-

нологическими агрегатами и установками.

Интенсификация производства в отраслях народного хозяйства, особенно в хи-

мии, нефтехимии и нефтепереработке, приводит к росту удельной мощности отдель-

ных агрегатов, а значит к усложнению ТП как объектов автоматического управления.

Их сложность обусловлена наличием большого числа управляющих и возмущающих воздействий, отсутствием априорной информации о динамических характеристиках процесса, особенно для вновь разрабатываемых ТП, нестационарностью и нелинейно-

стью статических и динамических характеристик процесса. Системы непо-

средственного цифрового управления процессами (НЦУ), реализуемые в АСУ ТП G

фиксированными параметрами настроек, во многих случаях уже не могут обеспечить качественного, а иногда и просто устойчивого управления ТП.

Непрерывное совершенствование средств вычислительной техники сделало возможным реализацию довольно сложных алгоритмов адаптивного управления в АСУ ТП, что позволяет считать адаптивные АСУ ТП одним из сложившихся направ-

лений в автоматическом управлении технологическими процессами.

В адаптивных АСУ ТП решаются следующие основные задачи адаптивного управления и обработки информации: стабилизация технологического процесса на за-

данном режиме; программное управление технологическим процессом; оптимизация технологического процесса вблизи его рабочей точки; оптимизация технологического процесса в динамическом режиме; обработка информации и получение информации о