Глава 2. Особенности цифровогоуправления процессам 3 ргобенности систем цифрового управления

Таблица 2.1. Характеристики управляемого технического процесса, влияющие на решения по системе управления

Характеристика технического процесса

Соответствующие компоненты проекта системы управления

Масштаб времени

Тип переменных процесса

Возмущения в измерениях

Управляемость системы

Уровень сложности системы

Динамика системы, модель системы Частота измерений Частота управляющих воздействий Требования к аппаратным средствам Требования к программному обеспечению

Измерительная аппаратура, датчики Частота измерений

Фильтрация Вид обработки

Аппаратные средства управления, исполнительные механизмы

Стратегия управления, взаимосвязь входных и выходных сигналов Алгоритмы регулирования Требования к аппаратным средствам Требования к программному обеспечению Операционная система, языки программирования Требования к коммуникациям

Назначение (цель) системы Стратегия управления

Топология

информационных

потоков

Интерфейс оператора

Централизованное/

распределенное

управление

Сбор данных, коммуникации, сети, протоколы

Межпрограммный объем Распределенное управление

Психологические факторы Интерфейс пользователя

Архитектура системы Распределение ресурсов Надежность

Глава

5,6 7,8 10

3, 6,7

3,6,7 7,8 10 10

6,7,12

10 12

7,8, 9,12 12

Отображение развития процесса во времени

Данные, подученные в результате измерений, должны с требуемой точность<о отображать динамику процесса. Особую важность при этом имеет частота выборк ь т. е. периодичность измерения новых данных. Ее определение обычно является не

Т.™ГсГотГвыборки влечет за собой большую загрузку компьютера, так каК он должен обрабатывать больше данных. В ряде случаев речь может идти даже о финансовых затратах, связанных со сбором данных процесса, например, при измеренИ

концентрации, где необходимы химические реагенты. Это означает, что число из-ений необходимо минимизировать, однако их частота должна быть достаточно ысокой для обнаружения важных изменений в контролируемых параметрах процесса Другими словами, должен быть найден компромисс между затратами на изме-ение и ценой последствий, к которым может привести потеря части информации об изменениях в процессе.

На загрузку компьютера влияет не только частота измерений, но и сложность расчетов в промежутках между измерениями. Эта проблема будет рассмотрена более подробно в следующих главах книги.

Сбор данных измерений и обработка сигналов

Все сигналы измерений содержат как полезную информацию, так и помехи. Измерения всегда приблизительны из-за ошибок калибровки, неточности датчиков или наличия шума. Сигнал, передающийся от датчика к компьютеру через электрический провод, может быть искажен электромагнитным шумом.

Из повседневного опыта известно, что фильтрация сигналов и извлечение информации являются важными задачами. Если несколько человек за столом начнут говорить, то микрофон будет фиксировать лишь набор звуков, из которого невозможно получить полезную информацию. В то же время человеческое ухо способно "отфильтровать" определенные голоса среди прочих и извлечь требуемую информацию. То же самое нужно делать с измерительной информацией с помощью фильтра.

Фильтр в своей основе представляет устройство, обрабатывающее поступающий сигнал и извлекающее из него информацию в соответствии с заданным критерием. Очевидно, что фильтр должен быть спроектирован таким образом, чтобы он пропускал полезную информацию и блокировал ненужную. Фильтры могут быть выполнены как по аналоговой, так и по цифровой технологии. Обе разновидности фильтров обсуждаются в главе 5.

Даже если мы используем точный датчик и передаем сигнал без помех, тем не менее получаемые данные могут не всегда адекватно представлять интересующие параметры процесса. Например, измерение уровня жидкости может быть некорректным из-за зыби, а концентрации - из-за наличия неоднородностей.

Уровень сложности системы

Уровень сложности технического процесса отражается на конфигурации управляющего компьютера. Количество датчиков и исполнительных механизмов определяет необходимое число портов ввода/вывода и в целом требует более мощного процессора, большего объема оперативной и внешней памяти и т.д. Аппаратные Средства интерфейса с техническим процессом - датчики, исполнительные механиз-•Ь! и системные шины - описаны в главах 4 и 8.

Связь между внутренними переменными процесса и его входными или выходными данными определяет сложность программного обеспечения регулятора. Программы реального времени гораздо труднее тестировать по сравнению с обычными, поэтому их од должен быть настолько хорошо структурирован, чтобы ошибки можно было выявить как можно раньше. В главе 10 описывается структура программы, языки програм-ирования и операционные системы для решения задач реального времени.

Топология информационных потоков

Сложные системы управления и мониторинга обычно представляют собой иерар, хическую структуру на базе соединенных между собой цифровых устройств разное класса. Такой подход называется распределенным прямым цифровым управление), и обсуждается в главе 12.

Организация взаимодействия между этими устройствами является центрально, задачей проектирования современных систем управления процессом. Для рациц. нального использования имеющихся ресурсов необходимо определить вид и количе ство информации, которой обмениваются компьютеры, - информационные потоки Не все компьютеры должны получать подробную информацию об управляемом техническом процессе. Особую роль играет надежность передачи информации - необ ходимо принимать такие решения, чтобы данные всегда достигали своего назначе ния без искажения и потерь.

Передача информации тесно связана со стандартизацией. Очевидно, что кабели i разъемы должны соответствовать друг другу, уровни сигналов должны быть соизме римы, а программное обеспечение должно одинаково интерпретировать передаваемы! сообщения и сигналы. Организация передачи информации между устройствами рас смотрена в главе 9, в главе 10 обсуждаются методы межпрограммного взаимодействия

Интерфейс оператора

Хотя теоретически управляющая система или компьютер могут функционировать без вмешательства человека, на сегодняшний день всегда необходимо взаимодействие с оператором, который должен получать информацию и иметь возможное вводить команды.

Графические интерфейсы компьютерных терминалов становятся все более и бо лее изощренными. Современные дисплеи обладают фантастическими возможностя ми отображения сложно организованных данных, включая цветовые палитры с мил лионами оттенков, разнообразную графику, даже мультипликацию и видео. Однай все это требует больших вычислительных ресурсов, за которые программы интер фейса будут конкурировать с модулем обработки данных, и поэтому оператор мозке получать информацию с задержкой. С другой стороны, не вся информация може ждать, например, сигналы тревоги и другие важные сообщения должны отображать ся немедленно. Поэтому при проектировании интерфейса необходимо тщательно d бирать информацию и сопоставлять способ отображения со степенью ее важност в текущий момент, человеческими возможностями воспринимать и адекватно pea ровать на нее и имеющимися ресурсами. Эта тема обсуждается в главе 11.

Системная интеграция и надежность управления

Ключевым вопросом любой системы управления является надежность. ЦифР вые системы - не исключение, и, как отмечалось в разделе 1.2, эта проблема вознИ ла уже в первые годы их применения. Один из основных недостатков принципа Пр мого цифрового управления - это низкая надежность. Хотя общее качесТ вычислительной техники существенно возросло с 1УЬ0-х годов, проблема надежно ти таких систем остается тем не менее одной из главных, так как центральный komi"

ютер по-прежнему представляет собой критическую точку (single-point failure) - узел выход которого из-строя приводит к остановке всей системы. Очевидное решение этой проблемы - децентрализация вычислительных ресурсов, при которой небольшие локальные вычислительные устройства управляют отдельными частями сложного процесса. Децентрализация и системная интеграция сложных систем управления процессами рассматриваются в главе 12.

Надежность программного обеспечения крупных систем не менее важна, чем надежность аппаратных средств. В январе 1990 года в течение почти 9 часов телефонная сеть США обеспечивала прохождение лишь около 50 % трафика. Причина заключалась в невыявленной ошибке в очень сложной программе.

Практический подход к повышению надежности систем предполагает, с одной стороны, применение отказоустойчивых конфигураций аппаратных средств, рассмотренных в главе 12, а с другой - специальные методы проектирования структуры программного обеспечения, программирования и отладки, позволяющие исключить с самого начала наиболее вероятные ошибки.

2.4. Модельные примеры

Системы, описанные в этом разделе, - электропривод и станция биологической очистки сточных вод, - будут использоваться в дальнейшем изложении в качестве примеров двух различных типов процесса. Эти системы существенно отличаются как масштабом времени, так и технической конструкцией и поэтому служат хорошей иллюстрацией многих проблем, характерных для приложений цифрового управления.

2.4.1. Модельный пример 1 - управление системой электропривода

1 акая популярность объясняется их функцией - преобразование электрической энергии, которая легко передается на расстояния, в механическую работу, без кото-рои не обходится практически ни один процесс. Электрические двигатели играют важнейшую роль в современной жизни - без них не может обойтись ни промышленность, ни домашнее хозяйство.

т р " бывают постоянного тока и однофазные или многофазные переменного ока. Рабочий режим двигателя зависит не только от тока, но и от "истории" намагничивания, нагрузки, потерь на трение и т. д. Не вдаваясь в подробности теории двигате-ния отметить, что оптимальный режим переноса энергии, т. е. преобразова-

полуГТ"" энергии в механическую с минимальными потерями, можно

Уть подбирая величину амплитуды, частоты и фазы входного напряжения. Цепей"""""" требуемыми характеристиками осуществляется с помощью "ов исто°° электроники. Поскольку питание можно подавать от различных ти-кость в переменного или постоянного тока, то обеспечивается большая гиб-

УПравлГ" типа двигателя. Комбинация двигателя, силовой электроники и блока Но онап "" называется системой электропривода (electricaldrive system); схематич-"чень щ""" на рис. 2.13. Выпускаемые системы электропривода охватывают

ирокий диапазон значений мощности, скорости и мо,\1ента. аки и """" системы электропривода - задача как инженеров-электриков, енеров-механиков. Фактически для получения хороших результатов необ-

ходимо тесное взаимодействие специалистов в области электротехники, электрон ки, вычислительной техники, управления и, конечно, в области конкретных придр, жений (например, транспорта или робототехники).

Рис. 2.13. Главные элементы системы электропривода

В этой книге система электропривода служит для иллюстрации ситуаций, когда необходимы очень быстрые управляющие воздействия.

2.4.2. Модельный пример 2 - биологическая очистка сточных вод (процесс активированного отстоя)

В современном обществе потребляется большое количество воды, поэтому переработка сточных вод становится одной из главных природоохранных задач. Для уничтожения или снижения количества содержащихся в них загрязнений сточные воды можно перерабатывать механическими, химическими и биологическими методами - на большинстве современных предприятий по переработке сточных вод все они используются одновременно. Ниже мы кратко рассмотрим управление биологическим процессом, получившим широкое распространение для переработки как промышленных, так и бытовых сточных вод.

Процесс активированного отстоя (activatedsludge process) заключается в том, что взвешенные в аэраторе микроорганизмы взаимодействуют с органическими веществами, содержащимися в сточных водах, и растворенным кислородом (Dissolvei Oxygen - DO). В результате этого процесса увеличивается масса микроорганизмов» вырабатывается двуокись углерода и вода. Другими словами, микроорганизмы размножаются, питаясь органическими компонентами сточных вод, и высвобождаю двуокись углерода и воду.

Установка для переработки сточных вод содержит две основные части - аэратор и устройство осаждения (рис. 2.14). Аэратор представляет собой биологический реактор, содержащий микроорганизмы, - в нем происходит реакция со сточными во дами и кислородом воздуха. В устройстве осаждения активированный отстой, состо ящий из живых или погибших организмов и другой инертной массы, отделяется о остальной жидкости. Часть концентрированного отстоя регенерируется и снова по ступает в аэратор для того, чтобы поддерживать массу живых микроорганизмов« процессе постоянной; соотношение между объемом сточных вод и массой микроорганизмов должно сохраняться в определенной пропорции. Остальной отстой удаляется из устройства осаждения для последующего захоронения. Выход процесса - n ток очищенной воды и концентрированный отстой - менее опасны для окружаюше среды и легче перерабатываются, чем неочищенные сточные воды.

Временной масштаб биологического процесса обычно составляет величину пО дка часов или дней и поэтому не является ограничением для управляющего коМ

ьютера. Это совсем не означает, что биологическими процессами управлять проще, оскольку в этой области существуют свои проблемы. Состав и концентрация неочищенных сточных вод обычно неизвестны. Концентрация отходов иногда бывает настолько мала, что ее очень трудно измерить - даже самая загрязненная вода на 99 95 % состоит из воды! Однако даже малые концентрации отходов опасны для окружающей среды, так как могут накапливаться в живых организмах.

неочищенные сточные воды

взвешенные микроорганизмы и субстрат (активированный отстой)

очищенная

аэратор

тттттттттт

входной поток воздуха

концентрированный отстой

рециркуляция микроорганизмов

отстой

на переработку

Рис. 2.14. Процесс активированного отстоя при переработке сточных вод

В биологическом реакторе существует очень много видов микроорганизмов, но лишь немногие из них действительно известны и исследованы. Между популяциями микроорганизмов существует борьба, и если одна разновидность обгоняет в развитии другую, то это оказывает влияние на баланс процесса, меняя его динамику и производительность. Концентрация растворенного кислорода, вид субстрата и загрязнении, величина рН, температура - вот лишь некоторые из факторов, влияющих на скорость роста микроорганизмов.

Для обогащения среды аэратора кислородом необходимо закачивать в него воздух.

асход воздуха, влияющий на эффективность всего процесса, имеет первостепенное значение. Если концентрация растворенного кислорода опускается ниже определен-

го минимального значения (в диапазоне 1-2 мг/л), микроорганизмы будут не в со-оянии перерабатывать ("поедать") загрязнения с нормальной скоростью и процесс иедлится. С другой стороны, нагнетание воздуха требует много энергии. Концентра-ия растворенного кислорода определяет вид доминирующих организмов и, следова-

льно, влияет на процесс очистки сточных вод от загрязнений, зить "" могут содержать токсичные вещества, способные затормо-

про рост некоторых микроорганизмов или даже убить их. С точки зрения управления выб" означает, что в зависимости от изменения условий работы необходимо ирать новые виды управляющих воздействий. Поэтому для определения текущего

стояния процесса должны применяться специальные методы оценки. о главе 3 рассмотрены простые модели для описания динамики биологических

стем. Проблемы организации измерений обсуждаются в главе 4 а в главе 6 - схе-Ь! управления.

Зак 1021