В предыдущих статьях цикла рассматривались регуляторы с типовыми Т- и ПИД-законами регулирования. В данной статье цикла описаны алгоритмы и разновидности систем автоматического управления процессами, для которых обычные Т- и ПИД-регуляторы не обеспечивают требуемого качества управления. Приведем примеры сложных для регулирования и управления объектов:

– 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.

Управление по отклонению и по возмущению. САУ с моделью объекта.

В данном цикле статей до этого описывались лишь системы управления с обратной связью по отклонению от задания. Однако, используется также принцип управления по возмущению, в условиях, если возмущающую величину можно померить. Приведем два примера использования этого принципа. В теплицах основным возмущающим факторами является температура кровли и солнечная радиация. Отечественные умельцы учитывают эти факторы применением специального «стеклянного датчика», который представляет собой резистор из тонкой медной проволоки, залитой жидким стеклом. Он прикреплен на остеклении кровли теплицы и включен последовательно с датчиком температуры воздуха в теплице. Таким образом, изменение внешней температуры сразу же изменяет выходную величину регулятора, к этому же приводят осадки и повышенная солнечная активность. Такое решение улучшает характеристики САР. Однако, при использовании типовых ПИД- регуляторов это улучшение невелико. Следует использовать каскадную схему регулятора (см. рис. 2 и предыдущую статью в «АиП» № 6) и подмешивать сигнал со «стеклянного» датчика во внутренний контур управления температурой воды системы отопления. В пастеризаторах не надо применять каскадную схему регулятора, так как влияние скачкообразного изменения температуры сырья можно компенсировать применением дополнительного датчика температуры сырья на входе пастеризатора. Сигнал с этого датчика следует «подмешать» в определенной пропорции к выходному сигналу САР, который определяет мощность ИК облучателя. Из вышеприведенных примеров следует, что задание выходного сигнала в зависимости от возмущающего воздействия не что иное, как использование статической модели объекта. Действительно, если мы знаем, например, что на каждый градус понижения температуры кровли для теплиц необходимо примерно на два градуса поднимать температуру воды в системе обогрева, то при резком изменении температуры кровли мы можем очень быстро изменить температуру воды на соответствующую величину. Коэффициент пропорциональности К_м (в примере К_м = 2) является параметром статической модели объекта. Так как Км; точно определить нельзя (он как правило меняется во времени), необходимо дополнительно применить контур обратной связи по отклонению (см. рис. 2). Сочетание этих двух подходов дает отличные результаты, однако требует дополнительного датчика и еще одного коэффициента настройки. Только микропроцессорные САР позволяют реализовать и более сложные модели объекта, учитывающие динамику влияния возмущений. Эффективность применения такой САУ показана на рис.1. Уход от задания для АСУ с моделью значительно меньше по сравнению с ПИД-регулятором.

Версия для печати