Объект управления это в автоматизации

Объекты управления.

В общем случае термин «объект управления» означает систему (техническую, биологическую, социальную), в которой протекает управляемый процесс.

В качестве материально осязаемых объектов управления могут выступать: деталь, станок, паровой котел, двигатель, автоматическая линия, прокатный стан, доменная печь, корабль, буровая установка, железнодорожная сортировочная точка, производственный участок, служащий и многие другие.

Примерами неосязаемых (абстрактных) объектов управления могут служить название работы, технологического процесса, структурного подразделения, реклама и многие другие.

В большинстве случаев объект управления можно представить обобщенной схемой, изображенной на рис. 1.

— управляющее воздействие, задающее качественные показатели и количественные характеристики управляемому процессу.

— детерминированные и случайные возмущающие воздействия, нарушающие ход управляемого процесса в нежелательном направлении.

— выходная величина системы (управляемая переменная), желаемое значение или состояние которой достигается в процессе управления.

Пользуясь методологией системного анализа, объект управления можно рассматривать как систему, в которой необходимо управлять энергетическими и (или) информационными потоками, пространственными координатами, количеством и качеством материальных потоков и т.д.

В любом объекте существует определенная функциональная зависимость выходных величин объекта от управляющих и возмущающих воздействий, т.е.

, (1)

где — оператор управления.

Основная задача управления объектом состоит в том, чтобы, исходя из цели автоматизации и физической природы объекта, возможно точнее определить и синтезировать технические средства для реализации этой цели.

Наиболее сложной задачей является определение оператора управления, так как это непосредственно связано с получением необходимой априорной (начальной) информации об объекте, т.е. для этого необходимы количественные характеристики и качественные показатели объекта. Для получения таких характеристик объекта проводится их математическое описание (идентификация) и классификация. Необходимо отметить, что по некоторым вопросам классификации и идентификации объектов пока нет общепринятых концепций и установившейся терминологии, поэтому в дальнейшем придерживаются методологии системного подхода, получившего развитии в АСУ ТП.

2. Классификация объектов управления.

Системный подход к проблеме классификации объектов позволяет сравнительно четко выделить несколько основных классификационных признаков, позволяющих раскрыть внутреннюю структуру объекта и его связи (рис. 2). По внешним связям объекта со средой, т.е. по количеству входных и выходных величин, объекты делятся на одномерные (имеющие одну входную и одну выходную величину) и многомерные (имеющие несколько входов и выходов). Примером одномерного объекта может служить электрический двигатель постоянного тока, у которого частота вращения якоря (при постоянном моменте нагрузки) приблизительно однозначно связана с подводимым к якорю напряжением.

Рис. 2. Классификация объектов управления.

Многомерные объекты, как правило, представляют собой многосвязанные системы, в которых имеется несколько регулируемых величин, связанных между собой в том смысле, что изменение какой-либо из них вызывает изменение других.

Характерными примерами объектов многосвязанного регулирования могут служить: паровой котел, где регулируемыми величинами являются температура, давление пара и уровень воды; турбореактивный двигатель, в котором регулируются скорость вращения и температура газа на выходе турбины. В данных примерах корреляция (взаимовлияние) между отдельными регулируемыми величинами обусловлена естественными (внутренними) свойствами объектов. Более сложная задача многосвязанного регулирования возникает при автоматизации производственных процессов. Взаимовлияние между отдельными регулируемыми величинами в этой группе, как правило, обусловлено технологическими факторами. Примером здесь могут служить системы автоматического управления частотой вращения электроприводов валков и зазором между ними в станах холодной и горячей прокатки. Обе эти системы управления связаны между собой через прокатываемую полосу, образую сложную многосвязанную систему.

К многомерным системам также могут быть отнесены энергосистемы, ректификационные колонны в нефтехимической и газовой промышленности и многие другие. Не будет преувеличением утверждение, что теория многосвязанного регулирования является теоретической основой при автоматизации многих производственных и технологических процессов.

Внешние связи объектов со средой могут иметь различную физическую природу, обусловленную внутренней структурой объекта. Причем связи могут быть односторонними и двусторонними. Для подавляющего большинства реальных объектов характерны двусторонние информационно-энергетические связи или информационные связи с материальными потоками, так как в процессе любого управления объектом необходим информационный обмен между устройством управления и объектом для управления энергетическими или материальными потоками в самом объекте. Внутренняя структура объектов раскрывается при изучении этих элементов и описывающих эти элементы количественных соотношений. Параметры (от греч. parametron – отмеривающий) элементов системы характеризуют основные свойства этих элементов (например, сопротивление, индуктивность, емкость, коэффициент усиления, теплоемкость, инерционное запаздывание, момент трения, момент инерции и т.д.).

По типу параметров объекты делятся на объекты с сосредоточенными и с распределенными параметрами. Большинство технологических объектов имеют распределенные параметры (теплообменные агрегаты, теплоэнергетические установки, аппараты химической промышленности и другие). Однако для целей более простого математического описания распределенностью их параметров иногда пренебрегают и рассматривают приближенно, как объекты с сосредоточенными параметрами. Данный подход справедлив далеко не всегда, так как есть группа объектов, которые всегда необходимо рассматривать как объекты с распределенными параметрами. К таким объектам относятся: железнодорожная сортировочная горка, производственный участок, экологическая система, нефтеносный пласт и другие.

По типу параметров все объекты делятся на стационарные и нестационарные. Условия объектов часто оказываются крайне неблагоприятными: смена окружающей температуры, давления, влажности, колебание питающего напряжения и т.д. Все это приводит к дрейфу параметров объекта (временному, температурному и случайному). Поэтому практически все объекты обладают нестационарными параметрами. Однако если на определенном интервале наблюдения параметры объекта не выходят за пределы допустимых значений, то объект приближенно можно рассматривать со стационарными параметрами. Интервал наблюдения и допустимые значения отклонения параметров определяются конкретными условиями, исходя из целей автоматизации.

За основу классификации могут быть взяты количественные отношения между элементами объекта и между объектом и внешней средой, описываемые различными уравнениями (алгебраическими, дифференциальными и т.д.), позволяющие проводить математический анализ физических явлений в объекте.

По типу дифференциальных уравнений, описывающих количественные соотношения в объектах, последние делятся на линейные и нелинейные. Объект можно считать линейным, если в нем существует однозначная пропорциональная (линейная) зависимость выходных величин от управляющих и возмущающих воздействий, т.е. «» в формуле (1) представляет собой линейную функцию или функционал. В природе линейных объектов не существует. Все объекты нелинейные, так как имеют зоны нечувствительности, зоны насыщения, неоднозначность (гистерезис) и т.д. Однако в ряде случаев объект можно рассматривать в линейном приближении, применяя соответствующие правила линеаризации. Допустимость линеаризации объекта определяется конкретными условиями его работы (например, при малых отклонениях на линейном участке характеристики).

В основе классификации объектов могут лежать причинно-следственные связи между окружающей средой и объектом и между его элементами. Благодаря этим связям происходит процесс передачи во времени информации, энергии, вещества от одного элемента объекта к другому или от окружающей среды к объекту и наоборот. В реальных объектах выявление причинно-следственных связей представляет большие трудности, так как процессы и явления, например в многосвязанные объектах, зависят от многих причин в разной степени, а сами следствия могут выступать как причины, воздействующие на явления, которые в прошлом были причиной появления их самих. Частных случаем причинно-следственных связей в технике являются переходные процессы, представляющие собой реакцию объектов управления на ступенчатые входные управляющие или возмущающие воздействия. По характеру протеканию переходных процессов объекты делятся на устойчивые (с самовыравниванием), нейтральные и неустойчивые.

В устойчивых объектах при подаче на их вход ступенчатого управляющего сигнала выходная величина с течением времени стремится к установившемуся значению (нагреватели; теплообменные агрегаты; двигатели, если за их выходную величину принята частота вращения ротора; электрические цепи ,,и многие другие). Отличительной особенностью этих объектов является то, что после снятия входного воздействия их выходная величина возвращается к прежнему или близкому к нему значению.

В нейтральных объектах после приложения ступенчатого входного сигнала выходная величина неограниченно возрастает во времени, а после прекращения входного сигнала никогда не возвращается к прежнему значению, принимая новое установившееся состояние. Примерами таких объектов являются объекты, обладающие интегрирующими свойствами (суммирование и запоминание). К ним относятся: резервуары, если за их выходную величину принят объем жидкости; двигатели, если за их выходную величину принят угол поворота ротора; интегрирующие активные и пассивные — цепи; и другие.

В неустойчивых объектах после приложения ступенчатого входного воздействия выходная величина неограниченно возрастает во времени, а после снятия входного воздействия продолжает неограниченно возрастать. Примерами таких объектов могут служить устройства, в которых протекают лавинообразные процессы или цепные реакции (аппараты химической промышленности с лавинообразными цепными реакциями, энергосистема в неустойчивых режимах и другие).

Существуют и другие классификационные признаки, взятые за основу при классификации объектов автоматизации. Например, по наличию исходной (априорной) информации можно выделить следующие группы объектов:

• уравнения, описывающие их, полностью известны (вплоть до значения коэффициентов);
• вид описывающих их уравнений известен, а численные значения коэффициентов – нет;
• конкретный вид уравнений и численные значения параметров неизвестны, но имеется некоторая априорная информация (например, объект линеен);
• относительно которых отсутствуют какие-либо априорные сведения (объект типа «черный ящик»).

Объект управления

Объект управления — обобщающий термин кибернетики и теории автоматического управления, обозначающий устройство или динамический процесс, управление поведением которого является целью создания системы автоматического управления.

Ключевым моментом теории является создание математической модели, описывающей поведение объекта управления в зависимости от его состояния, управляющих воздействий и возможных возмущений (помех). Формальная математическая близость математических моделей, относящихся к объектам различной физической природы, позволяет использовать математическую теорию управления вне её связи с конкретными реализациями, а также классифицировать системы управления по формальным математическим признакам (например, линейные и нелинейные).

В теории автоматического управления считается, что управляющее воздействие на объект управления оказывает устройство управления. В реальных системах устройство управления интегрировано с объектом управления, поэтому для результативной теории важно точно определить границу между этими звеньями одной цепи. Например, при проектировании системы управления самолётом, считается, что устройство управления рассчитывает углы отклонения рулей, а математическая модель самолёта как объекта управления, должна, с учётом этих углов, определять координаты центра масс и угловое положение самолёта. Уравнения аэродинамики весьма сложные в общем виде, но в ряде случаев могут быть упрощены путём линеаризации, позволяя создать линеаризованную модель системы управления.

Объект управления в технической системе [1]

В каждой технической системе (ТС) существует функциональная часть — объект управления (ОУ). Функции ОУ ТС заключаются в восприятии управляющих воздействий (УВ) и изменении в соответствии с ними своего технического состояния (далее — состояния). ОУ ТС не выполняет функций принятия решений, то есть не формирует и не выбирает альтернативы своего поведения, а только реагирует на внешние (управляющие и возмущающие) воздействия, изменяя свои состояния предопределенным его конструкцией образом.

Объекты управления ТС состоят из двух функциональных частей — сенсорной и исполнительной.

Сенсорная часть образована совокупностью технических устройств, непосредственной причиной изменения состояний каждого из которых является соответствующие ему и предназначенные для этого управляющие воздействия. [источник не указан 291 день] Примеры сенсорных устройств: выключатели, переключатели, задвижки, заслонки, датчики и другие подобные им по функциональному назначению устройства управления техническими системами.

Исполнительная часть образована совокупностью материальных объектов, все или отдельные комбинации состояний которых рассматриваются в качестве целевых состояний технической системы, в которых она способна самостоятельно выполнять предусмотренные ее конструкцией потребительские функции. [источник не указан 291 день] Непосредственной причиной изменения состояний исполнительной части ТС (ОУ ТС) являются изменения состояний её сенсорной части.

См. также

• Регулятор (теория управления)
• Исполнительное устройство

Примечания

1. ↑ Кириллов Н. П. Признаки класса и определение понятия «технические системы» // Авиакосмическое приборостроение, № 8, 2009. С.32-38.

Литература

• P. P. Vaidyanathan and T. Chen (May 1995). «Role of anticausal inverses in multirate filter banks — Part I: system theoretic fundamentals». IEEE Trans. Signal Proc..

• P. P. Vaidyanathan and T. Chen (May 1995). «Role of anticausal inverses in multirate filter banks — Part II: the FIR case, factorizations, and biorthogonal lapped transforms». IEEE Trans. Signal Proc..

• В.И. Зубов Теория уравнений управляемого движения. — Л. : ЛГУ, 1980.

Ссылки

• Теория управления
• Кибернетика

Основные характеристики объектов управления

Управлением называется процесс целенаправленного воздействия на систему, обеспечивающий повышение ее организованности, достижение того или иного полезного эффекта. Любая система управления разделяется на управляющую и управляемую подсистемы. Связь от управляющей подсистемы к управляемой называется прямой связью. Противоположная по направлению связь называется обратной. Понятие обратной связи является фундаментальным в технике, природе и обществе. Считается, что управление без обратной связи не эффективно, т. к. не обладает способностью к самовыявлению ошибок, формулировке проблем, не позволяет использовать возможности саморегулирования системы, а также опыт и знания специалистов. Обратная связь воздействует на систему. Воздействие — есть средство изменения существующего состояния системы путем возбуждения силы, позволяющей это сделать

В системах регулирования, замкнутых по отклонению, регулирование начинается тогда, когда произошло какое-либо изменение регулируемого параметра. Это выглядит, как тушение пожара. Однако при таком регулировании учитываются любые возмущения, независимо от их природы, которые повлекли за собой изменение регулируемого параметра. Однако, регулируемый параметр обязательно отклонится от заданного параметра и время приведения его в порядок зависит от инерционности объекта. Что это такое?
В системах с регулированием по возмущению регулируемый параметр практически не отклоняется от заданного значения благодаря тому, что она компенсирует возмущение еще до того, как оно приведет к изменению регулируемого параметра. Однако, если таких возмущений несколько, то необходимо организовать несколько систем регулирования, на каждое возмущение. Если соединить эти системы, то можно получить идеальный вариант.

Все объекты управления можно поделить на:

• устойчивые — с самовыравниванием,
• неустойчивые — без самовыравнивания.

Каждый объект – это физический процесс или процессы, которые в общей ситуации поддаются описанию математическими формулами. Но есть несколько параметров у каждого объекта – это устойчивость и инерционность.

Остановимся подробнее на терминах. Представим шарик в ямке. Выведем его из равновесия путем качения вверх, к краю ямки. Таким образом, мы приложим к шарику внешнее возмущение. Если отпустить шарик, он, покатавшись несколько раз, вернется на дно. Такой объект принято называть устойчивым или с самовыравниванием.А теперь представим себе шарик уже не в ямке, а на горке. Приложим к нему внешнее возмущение. Шарик без внешней помощи назад не вернется. Такой объект называется неустойчивым или без самовыравнивания.

Существует понятие степени устойчивости – т.е. в первом случае шарик можно отклонить настолько, что он просто выскочит из ямки. В другом же случае можно приложить недостаточно усилия и шарик не скатиться, а останется лежать на горке.Таким образом, делаем вывод, что удержать значение параметра с самовыравниванием можно и без системы регулирования. А вот объект без самовыравнивания не может работать без такой системы.

Практически все технологические объекты – это объекты с самовыравниванием.
Одна из основных характеристик объектов — это инерционность.
Пример: кипятим воду в чайнике. Вода закипела. Мы выключили конфорку, а вода еще какое-то время кипит, потом успокаивается и начинает остывать. Вот это некоторое время кипения после выключения и определяет инерционность чайника с водой.

Перейдем к графикам.
Чайник – это объект управления, конфорка – регулирующий орган. На графике изображен процесс изменения температуры воды, при котором мы поднимем температуру с 40°С до 80°С путем мгновенного открытия конфорки.

Теперь вернемся к системам регулирования.
Если при регулировании в системе отопления, включить в каких-то помещениях обогреватели, то система регулирования должна уменьшить количество тепла, приводимого в данное здание путем прикрытия клапана на теплоносителе.

Если при регулировании в системе отопления повысилась температура наружного воздуха, то при этом уменьшились потери через ограждающие конструкции, то система регулирования тоже прикроет клапан. В первом случае к реакции систему регулирования привело в действие внутреннее возмущение, а во втором – внешнее. Часто на объект воздействуют как внутренние, так и внешние возмущения.
Существуют различные схемы, с помощью которых можно регулировать: системы с внешними и внутренними возмущающими воздействиями.

Большинство объектов с внутренними возмущениями регулируют с помощью автоматизированной системы регулирования.
Такие системы называют замкнутыми с регулированием по отклонению.

Схема, в которой происходит регулирование только по внешнему воздействию, называется разомкнутой с регулированием по возмущению.
Однако в системах регулирования чаще всего встречаются или замкнутые системы, или комбинация замкнутых и разомкнутых систем, которые называются – комбинированные. Они выглядят так:

Классическим примером таких схем является регулирование температуры подающего или обратного теплоносителя с коррекцией по температуре наружного воздуха. Наличие цифровой техники позволило свести в таблицу сетевой график и записать эту таблицу в прибор. При наличии аналоговой техники получим комбинированную систему, которая работает следующим образом – внутри поддерживается заданная температура среды, а в зависимости от изменений температуры наружного воздуха, происходит смещение (вверх или вниз) поддерживаемого параметра.

Литература:
1. Айзерман М. А. Лекции по ТАУ. Гостехиздат, 1966г.
2. Иващенко Н. Н. Автоматическое регулирование. Машгиз.1958г.
3. Школа автоматчиков. УРОК №5. Основы автоматизации
4. Автоматизация производства и промышленная электроника. Энциклопедия. Под ред. А. И. Берга. и В. А. Трапезника. М.1962-1965г

Подпишитесь на нашу емей рассылку и всегда будьте в курсе последних поставок и новостей

ООО «РемСтройТехно-Сервис» — эксклюзивный поставщик оборудования для измерения расходов различных сред, регулирующих клапанов , а также оборудования для систем HVAC.

Объекты управления и их свойства

В общем понимании автоматизированного управления предприятием объектами автоматизации являются комплексы и отдельные технологические процессы или агрегаты. На нижнем уровне сложных иерархических систем управления, где основными задачами являются логико-программное управление и автоматическое регулирование, целесообразно говорить об объектах регулирования, хотя можно использовать и термин «объекты управления», имея в виду, что объекты регулирования — их частный случай. Рассмотрим свойства простых объектов, в которых регулируют технологические параметры — температуру, уровень, давление, расход, концентрацию и тому подобное. Таким образом, в нашем случае объектом регулирования или управления (иногда употребляют термин «объект автоматизации») будет технологический процесс или технологический агрегат, в котором происходят процессы преобразования вещества или энергии, характеризующихся комплексом значений технологических параметров и потребует организованного целенаправленного вмешательства путем создания специальных управляющих воздействий (управлений).
С точки зрения общесистемного подхода объектом могут быть технологические сборники, теплообменники или сложные объекты — котлоагрегаты, диффузные, испарительные и многоректификационные установки, хлебопекарные печи и другие — при этом сложные объекты можно раскладывать на более простые. Все сказанное подтверждает тот факт, что каждой задаче автоматизации соответствует конкретный объект. При этом важен еще один общесистемный момент: свойства системы управления (регулирования) в равной степени зависят от обеих составляющих — объекта и автоматического управляющего устройства (регулятора). В то же время каждая из систем управления создается именно для конкретного объекта, поэтому чем детальнее будут известны свойства объекта, тем эффективнее будет система управления.

Объекты имеют разное назначение, в них происходят различные по физической природе процессы, но с точки зрения задач автоматизации можно выделить некоторые общие свойства и характеристики. Например, в системах автоматизации зданий важным нюансом является слаженная работа всех инженерных подсистем здания. К примеру, совместно со строительной компанией Riel был выполнен ряд работ по автоматизации зданий, позволив клиентам получить в свое распоряжение современное здание с функциями «умного» дома. Это особенно важно потому, что распределенность подсистем, внедрение агрегатов большой единичной мощности часто сопровождаются усложнением управления такими объектами в связи с тем, что имеются :
— недостаточные знания о механизме технологических процессов;
— стохастичность связей между выходами и входами (вероятной природой объектов);
— нестационарность (изменение характеристик со временем, эволюция объектов);
— наличие рабочих зон с различными процессами, которые происходят одновременно, застойных зон и т.д.

С точки зрения общей теории управления важное значение имеют такие обобщенные характеристики и показатели: наблюдаемость, управляемость, чувствительность. Наблюдаемость объекта означает, что существует возможность определить его состояние по данным измерений или соответствующих вычислений на конечном интервале времени, то есть измерить и (или) вычислить все координаты состояния объекта. Управляемость объекта означает, что существуют такие целенаправленные действия, с помощью которых объект из любого исходного состояния можно перевести в заданный конечное состояние в течение конечного интервала времени. Это соответствует тому, что под действием управлений меняются все координаты состояния объекта.

Чувствительность объекта дает возможность оценить изменения (вариации) режимов работы объектов под воздействием управлений и возмущений. Кроме того, оцениваются малые вариации параметров объекта относительно их начальных значений и их влияние на функционирование объекта. Названные общие показатели свойств объекта используют при создании автоматизированных систем регулирования (АСР)следующим образом:
1. наблюдаемость позволяет оценить точки измерений и возможность получения необходимой информации о состоянии объекта;
2. управляемость характеризует эффективность управляющих воздействий, что позволяет сделать целенаправленный выбор;
3. чувствительность является основанием для вывода о необходимости создания адаптивных систем.

Исходя из человеческой сущности управляемых объектов, можно выделить следующие их свойства:

a) самоактивность управляемых объектов – способность к самодвижению на основе внутренних побудительных причин. Самоактивность реализуется в разных формах: в преобразовании окружающих условий и взаимосвязей, установлении взаимодействия и в приспособлении к складывающейся ситуации.

b) целенаправленность на конкретные предметы, явления, отношения и результаты.

c) адаптивность (приспособляемость) к условиям и факторам природного и социального бытия, которая проявляется в привычной реакции, стереотипе поступков и действия.

d) самоуправляемость — способность к самоуправлению, сознательному саморегулированию своей жизнедеятельности и своего развития, как ответная реакция на изменяющиеся общественные условия.

e) объективизм — зависимость от объективных условий и факторов общественной жизни.