Учебный материал по АСУ АЭС.

ТЕМЫ И ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ИСХОДНЫЙ МАТЕРИАЛ
ПО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ АСУ АЭС.

Тема I: Предмет учебной дисциплины АСУ АЭС.

1. Учебная литература.
2. Предмет учебной дисциплины АСУ АЭС.
3. Теоретические основы учебной дисциплины
АСУ АЭС.

Учебная литература.

Основная литература.

1. Конспект лекций.
2. В.Р. Аксёнов, С.В. Батраков, В.А. Василенко. Автоматизированные системы
управления технологическим процессом атомных электростанций. СПб. 2007.
3. Аксёнов В.Р., Василенко В.А. Принципы создания автоматизированных
систем управления технологическими процессами атомных электростанций.
СПб. «Моринтех» 2005.
4. Острейковский В.А. Автоматизированные системы управления
технологическими процессами атомных электростанций с ВВЭР-1000.
Обнинск 1990.
5. Ротач В.Я. Теория автоматического управления энергетическими
процессами. Энергоатомиздат. М. 1985.
6. Соснин О.М. Основы автоматизации технологических процессов и производств.
М. 2007.
7. Шальман М.П., Плютинский В.И.. Контроль и управление на атомных
электростанциях. М.1979.

Дополнительная литература.

1. Корытин А.М., Петров Н.К., Радимов С.Н., Шапарёв Н.К. Автоматизация
типовых технологических процессов и установок. М.1988.
2.Самсонов В.С. Вяткин М.А. Экономика предприятий энергетического
комплекса. «Высшая школа» М. 2003.
3.Советов Б.Я., Цехановский В.В., Чертовский В.Д. Теоретические основы
автоматизированного управления. «Высшая школа» М.2006
4.Трофимов А.И., Егупов Н.Д., Слекеничс Я.В. Принципы построения
автоматических регуляторов теплоэнергетических процессов АЭС.
Энергоатомиздат. М. 1999.
5.Юркевич Г.П. Системы управления энергетическими реакторами. ЭЛЕКС-
КМ. 2001.

2. Предмет учебной дисциплины АСУ АЭС.

Управление – это такая организация того или иного процесса, которая обеспечивает достижение определённых целей.
Совокупность всех устройств, обеспечивающих управление каким-либо объектом, называется системой управления.
Если функции всех элементов системы управления выполняются различными устройствами без непосредственного участия человека, то система управления называется автоматической.
Система управления, в которой решения об управляющих действиях принимаются людьми, а автоматические устройства используются только для сбора, обработки и представления информации о задачах и результатах управления и для сравнительного анализа возможных вариантов решений, называется автоматизированной.
В настоящее время появилась необходимость исследовать и рассчитывать процессы управления сложными системами, содержащими коллективы людей, комплексы технических средств с помощью систем управления, в которых главную роль играют люди. Это привело к выделению в науке об управлении самостоятельного раздела, перед которым ставятся задачи разработки методов и систем автоматизации технологических процессов. К 1974 году эти системы получили название «Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП)» и появились первые ГОСТы, регламентирующие терминологию, основные положения, а в дальнейшем – весь процесс создания, введения в эксплуатацию и собственно эксплуатацию таких систем.

ГОСТ 34.00390 дает такое понятие автоматизированной системы управления (АСУ): «АСУ система «человек машина», обеспечивающая эффективное функционирование объекта, в которой сбор и обработка информации, необходимой для реализации функций управления, осуществляются с применением средств автоматизации и вычислительной техники».
АСУ технологического процесса (АСУ ТП) – это автоматизированная система управления для выработки и реализации управляющих воздействий на технологический объект управления в соответствии с принятым критерием качества управления.
Технологический объект управления – это совокупность технологического оборудования и реализованного на нём по соответствующим инструкциям или регламентам технологического процесса производства.
К критериям оптимальности (эффективности) функционирования технологических объектов кроме обычно решаемой задачи достижения наибольшего экономического эффекта относятся также всегда актуальные проблемы охраны здоровья работающих и сохранения окружающей среды.

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рис. 1.1 Структурная схема централизованной АСУ ТП.


Предметом учебной дисциплины являются:
- теоретические основы автоматического и автоматизированного управления;
- устройство, принципы построения и функционирования автоматических и
автоматизированных систем управления АЭС.

3. Теоретические основы учебной дисциплины АСУ АЭС.


Рассматривая теоретические основы учебной дисциплины, обратим внимание на термин «система».
Если следовать общепринятому определению, то термин «система» означает, в общем, множество элементов и отношений между ними. Термин отношение используется здесь в самом широком смысле, включающем весь набор родственных понятий, таких, как ограничение, структура, информация, организация, сцепление, связь, соединение, взаимосвязь, зависимость, корреляция, образец и т. д.
С конца 30-х годов системы являются предметом исследования математиков, рассматривающих изучение «систем вообще». Эта дисциплина называется по-разному: системология, теория общих систем, общая теория систем, системотехника и т. п.
Термины «общая система» и «общая теория систем» предложены, по-видимому, Л. фон Берталанфи. Он употреблял их устно еще в 1930-х гг., однако первые публикации появились только после второй мировой войны. С его точки зрения «общая теория систем это логико-математическая область, задачей которой является формулирование и вывод таких общих принципов, которые применимы ко всем «системам»». Фон Берталанфи не только автор идеи общей теории систем, но и один из главных организаторов исследований в этой области.
Вполне аналогичные концепции, но связанные не с общесистемными исследованиями, а рассматривающие информационные процессы в системах, таких, как связь и управление, были сформулированы в конце 40-х начале 50-х гг. и получили название «кибернетика». Наибольшее влияние в этом направлении оказали классические книги Н. Винера [339] и У. Росс Эшби [17]. Кибернетика, которую Винер определил как исследование «связи и управления в животном и машине», основывается на понимании того, что связанные с информацией проблемы можно вполне содержательно и успешно изучать, по крайней мере, до некоторого предела, независимо от определенного контекста.
В предисловии к книге У. Р. Эшби «Введение в кибернетику» акад. А. Н. Колмогоров так определяет кибернетику: «Кибернетика занимается изучением систем любой природы, способных воспринимать, хранить и преобразовывать информацию и использовать ее для управления и регулирования».
Берталанфи включил кибернетику в теоретическую часть общей теории систем (ОТС).
Техническим фундаментом кибернетики стала автоматика - техническая наука, разрабатывающая принципы построения автоматических систем и необходимых для них автоматических средств (элементов), методы анализа и синтеза этих систем.
Началом развития автоматики как науки считается 1765 год, когда талантливый русский механик И. И. Ползунов создал первую в мире замкнутую автоматическую систему для регулирования уровня воды в паровом котле. Среди русских ученых и изобретателей, внесших большой вклад в развитие автоматики, следует назвать имена И. А. Вышнеградского, А. М. Ляпунова, П. Л. Чебышева, Н. Е. Жуковского и др. Трудами этих ученых были заложены основы теории автоматического регулирования. Особенно большой вклад в развитие теории автоматического регулирования был внесен выдающимся русским ученым И. А. Вышнеградским. Он впервые показал, что процессы в регуляторе и объекте регулирования неразрывно связаны между собой, и поэтому исследование необходимо производить при их совместной работе. Исключительное значение для развития теории автоматического регулирования имели труды А. М. Ляпунова. Он доказал теоремы, позволяющие оценивать устойчивость движения систем автоматического регулирования по приближенным линейным уравнениям вместо исходных нелинейных.
Бурное развитие автоматики, электроники и вычислительной техники в послевоенный период привело к внедрению автоматики буквально во все области деятельности человека.
Автоматика состоит из двух частей: теории автоматического регулирования и управления и технических средств построения автоматических систем.
Теория автоматического регулирования и управления это наука о принципах построения автоматических систем и закономерностях протекающих в них процессов. Основная задача этой науки состоит в построении оптимальных или близких к ним автоматических систем, а также в исследовании статики и динамики этих систем. Однако автоматика всегда распространялась, главным образом, на физическую сферу деятельности человека, на замену и повторение простейших движений его тела и конечностей.
Однако внедрение автоматических систем управления не позволило исключить человека из контура управления, а тенденции развития общественного производства, наоборот, усложнили функции, выполняемые им. Эти причины, а также появление ЭВМ способствовали бурному развитию автоматизированного управления, отличительными чертами которого являются автоматизация комплексов процессов или объектов, включение человека в контур управления, информационный и вероятностный подход к процессу управления, использование ЭВМ как основного технического средства, реализующего функции управления.
Схема, приведенная на рис. 1.1, позволяет точнее определить понятие «автоматизированная система» как систему, в которой хотя бы на одном этапе цикла управления используются компьютеры и технические средства.
Появление кибернетики вызвано слиянием многих до нее существовавших независимых дисциплин, каждая из которых, в свою очередь, порождалась потребностями практики. К числу их можно отнести теорию информации, теорию алгоритмов, теорию автоматов. Поэтому помимо теории автоматического управления появилось новое научное направление – теория автоматизированных систем управления (АСУ).



13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Рис. 1.2 Теоретические основы автоматического и
автоматизированного управления.


По примеру акад. А. И. Берга (1961, 1964 г), мы разобьем всю область кибернетических исследований три главные части:
1) общую, или теоретическую, кибернетику, которая имеет дело с общими математическими моделями управления и представляет собою по существу математическую или физико-математическую дисциплину;
2) техническую, или инструментальную, кибернетику, которая заботится о техническом осуществлении и техническом моделировании управления;
3) ряд прикладных ветвей, занимающихся управлением в частных областях и выступающих под названиями кибернетики биологической, медицинской, экономической, военной, психологической, педагогической и т.
Общая кибернетика, несмотря на ряд попыток систематизации, остается еще во многом фрагментарной. ( ней относят, например, такие разделы, как теория информации, теория следящих систем (сервомеханизмов), теория конечных автоматов и т. п., но их не всегда легко связать между собою.)
Техническая кибернетика продолжает традиции классической автоматики; ее главное оружие электронные вычислительные (они же логические) машины. Она заслуживает выделения среди других применений общей кибернетики потому, что сама является универсально применимой; с ее помощью автоматизируется управление в различных областях. Технические термины, такие, как «машина», «автомат», «регулятор», часто употребляются и в общей кибернетике, но там они приобретают более широкое и отвлеченное значение.
Прикладные отрасли, постоянно умножающиеся в числе, придают кибернетическим исследованиям их неоднократно отмеченный комплексный, междисциплинарный характер. Большинство этих частных теорий управления существовало и прежде, по крайней мере, в зачатке, но теперь они получили в свое распоряжение единый язык и общий аппарат.
Общий подход повышает эффективность управления, облегчает выбор оптимальных альтернатив. В этом практическом плане кибернетика предстает перед нами как техника наиуспешнейшего достижения целей, как искусство получать максимальные результаты минимальной ценой..
Кибернетика может также воспользоваться методами двух родственных научных направлений, возникших почти одновременно с нею, в те же военные и послевоенные годы. Речь идет об исследовании операций и системном анализе, некоторые считают их прямо ветвями кибернетики.
Исследование операций, созданное в ходе II мировой войны для лучшего управления войсками и затем примененное в промышленности, имеет целью снабжать руководство количественными данными.
Системный анализ, или системный подход требует рассматривать изучаемые явления и объекты не только как самостоятельную систему, но и как подсистему некоторой большей системы. Системный подход требует прослеживания как можно большего числа связей – не только внутренних, но и внешних – с тем, чтобы не упустить действительно существенные факторы и связи и оценить их эффекты.
Системный анализ, или системный подход, развивался во многих отраслях науки и техники как средство исследования и проектирования больших, сложных систем; подобно исследованию операций, он облегчает постановку задач для кибернетиков и дает им более точные и удобные математические модели.
Однако формулировки положений и приемов системного анализа крайне фрагментарны и, за редким исключением, нацелены на конкретные классы задач.
Нет учебника или монографии, где были бы систематизированы те принципы, рассуждения и методики, на применении которых основано множество прикладных работ.
Автоматизированное управление базируется на теории информации, теории сложных систем, теории автоматического управления, теории принятия решений.
Таким образом, теоретической основой учебной дисциплины АСУ АЭС являются теория автоматического регулирования и управления, теория автоматизированного управления. При изучении дисциплины используются методы системного анализа.





























Тема II: Общие принципы структурного анализа сложных систем

1. Основные понятия и определения системного анализа.
2. Сложные системы
3.Методы исследования сложных систем.
4. Назначение и общие принципы структурного анализа
сложных систем.

1. Основные понятия и определения системного анализа.

Введем набор понятий, связанных с современным использованием слова «система». Большинство из этих понятий и ряд операций ними запишем также в символьном виде, близком к употреблению сходных математических терминов.
Объект – часть мира, выделяемая как единое целое в течение ощутимого отрезка времени.
Элементом назовем некоторый объект (материальный, энергетический, информационный), обладающий рядом важных для нас свойств, но внутреннее строение (содержание) которого безотносительно к цели рассмотрения.
Будем обозначать элементы через М, а всю их рассматриваемую (возможную) совокупность через {М}. Принадлежность элемента совокупности принято записывать Ме{М}.
Связью назовем важный для целей рассмотрения обмен между элементами веществом, энергией, информацией.
Единичным актом связи выступает воздействие.
Под системой в широком смысле слова принято понимать замкнутое единство связанных друг с другом элементов, упорядоченных по единому закону или принципу.
Системой назовем совокупность элементов, обладающую следующими признаками:
а) связями, которые позволяют посредством переходов по ним от элемента к элементу соединить два любых элемента совокупности;
б) свойством (назначением, функцией), отличным от свойств отдельных элементов совокупности.
Назовем признак а) связностью системы, б)ее функцией. Применяя так называемое «кортежное» (т. е. «последовательность в виде перечисления) определение системы, можно записать:

где 2 система; {М} совокупность элементов в ней; {х} совокупность связей; F функция (новое свойство) системы. Будем рассматривать запись (1.1) как наиболее простое описание содержания системы. Существуют формы записи, включающие более 10 членов кортежной последовательности, соответствующих различным свойствам системы |_17].
Структурой системы называется её расчленение на группы элементов с указанием связей между ними, неизменное на всё время рассмотрения и дающее представление о системе в целом.
Система может рассматриваться как элемент другой системы. В этом случае она является подсистемой надсистемы (суперсистемы).
Практически любой объект с определенной точки зрения может рассматриваться как система.
То, что не входит в систему, по отношению к ней является средой. Среда системы представляет факторы, влияющие на входные переменные.
Системы, взаимодействующие со средой, называются открытыми.
Системы с входными и выходными переменными называются направленными, а системы, у которых переменные не классифицированы подобным образом – нейтральными.
Системы, перед которыми поставлена некоторая сформулированная цель называются целенаправленными. Такими почти всегда будут искусственные системы.
Понятие цели системы определим как задачу получения желаемого выходного воздействия или достижения желаемого состояния системы.
Постановка цели перед системой (часто говорят: глобальной цели) влечет за собой необходимость: а) формулировки локальных целей, стоящих перед элементами системы и группами элементов; б) целенаправленного вмешательства в функционирование (строение, создание) системы. Обе эти операции тесно связаны, хотя с точки зрения практики обычно сначала разбивают глобальную цель на набор локальных, а потом ищут пути достижения локальных целей.
Набор локальных целей, как правило, сам имеет иерархическое многоуровневое строение и в той или иной степени соответствует общей иерархии в системе.
Зафиксируем все значения характеристик в системе, важных для целей рассмотрения. Такую ситуацию назовем состоянием системы.
Процессом назовем набор состояний системы, соответствующий упорядоченному непрерывному или дискретному изменению некоторого параметра, определяющего характеристики (свойства) системы.
Процесс движения (изменения) системы во времени называют динамикой системы. Параметрами процесса могут также выступать температура, давление, другие физические величины. В качестве параметра иногда выступают линейные и угловые координаты (пример: процесс изменения атмосферы с высотой) и даже скорости. Однако более типично отнесение этих величин к характеристикам системы, которые сами зависят, например, от времени.
Управление – целенаправленное вмешательство в процесс в системе. Оно естественным образом связано с постановкой целей.
Управление универсальный термин в смысле огромного многообразия его конкретных реализаций: в математических моделях мы можем выбирать числа, функции, алгоритмы, графовые структуры; в технических системах силы, геометрические размеры, различные сигналы, включая команды ЭВМ, физические величины от температуры до жесткости материала, концентрации и перемещения веществ; в экономике размеры финансирования, материальные ресурсы и сроки их поставки, расстановку кадров; в социальной области приказы, советы, действия, влияние на общественное мнение, организацию новых коллективов. Подчеркнем, что здесь перечислена лишь малая доля того, чем в целях управления можно распоряжаться в сложной системе.

Важным свойством управлений (воздействий) в сложных системах состоит в том, что сами они, собранные вместе образуют некоторую систему (подсистему), обладающую связями, структурой, иерархией. Такая система управления как бы накладывается на основную и обеспечивает ее превращение в целенаправленную систему. В связи этим системы управления составляют предмет отдельного изучения.
Источником управляющих воздействий могут быть технические средства или человек. Оба источника имеют свои достоинства и недостатки. Поэтому их полезно использовать совместно. Такие объекты принято вызывать автоматизированными системами управления (АСУ).
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рис. 2.1. Пример открытой направленной системы с иерархической структурой
вида «информация, управление – информация».





2. Сложные системы.

Большой системой назовем систему, включающую значительное число однотипных элементов и однотипных связей.
Сложной системой назовем систему, состоящую из элементов разных типов и обладающую разнородными связями между ними.
Понятия «сложная система» и «большая система» не являются тождественными, т. к. последний термин характеризует только одну черту «сложности» размерность системы.
Общепринятого определения понятия «сложная система» нет. Сложность почти не поддается ни точному определению, ни измерению.
Скорее можно привести примеры сложной системы и характеристику «сложности», чем дать строгое математическое определение этого термина.
Сложные системы управления
собирательное название систем, состоящих из большого числа взаимосвязанных элементов. Часто сложными системами наз. системы, которые нельзя корректно описать математически либо потому, что в системе имеется очень большое число различных элементов, неизвестным образом связанных друг с другом (напр., мозг), либо потому, что мы не знаем природы явлений, протекающих в системе, и поэтому не можем количественно их описать. В других случаях сложными называются системы, для изучения которых необходимо было бы решать задачи с непомерно большим объемом вычислений или, вообще, переработать такой большой объем информации, что для этого, даже если использовать самые быстродействующие ЭЦВМ, потребовалось бы много миллионов лет.
Независимо от того, что рассматривается как сложное или простое, в общем случае степень сложности связана с числом различаемых частей и мерой их взаимосвязанности. Т.е. степень сложности оценивается количеством информации, необходимой для описания реальной системы.
Кроме того, понятие сложности имеет субъективную обусловленность, поскольку оно связано со способностью понимания или использования рассматриваемого объекта. Таким образом, то, что сложно для одного, может оказаться простым для другого. Можно сказать, что мерой сложности объекта является количество интеллектуальных усилий, необходимых для понимания этого объекта.

3.Методы исследования сложных систем.

В борьбе со сложностью можно привлечь две концепции из общей теории систем [2].
Первая независимость. В соответствии с этой концепцией для минимизации сложности необходимо максимально усилить независимость компонент системы. По существу, это означает такое разбиение (декомпозицию) системы, чтобы высокочастотная динамика ее была заключена в единых компонентах, а межкомпонентные взаимодействия представляли лишь низкочастотную динамику системы.
Декомпозицией называется деление системы на части, удобное для каких-либо операций с этой системой. Важнейшим стимулом и сутью декомпозиции является упрощение системы, слишком сложной для рассмотрения целиком.
Традиционный метод борьбы со сложностью принцип «разделяй и властвуй», часто называемый «модуляризацией».
Модуль – группа элементов системы, описываемая только своими входами и выходами и обладающая определённой цельностью. Чтобы уменьшить сложность системы, нужно разбить ее на множество небольших, в высокой степени независимых модулей. Довольно высокой степени независимости можно достичь с помощью двух методов оптимизации: усилением внутренних связей в каждом модуле и ослаблением взаимосвязи между модулями. Нужно стремиться, во-первых, реализовывать отдельные функции отдельными модулями (высокая прочность модуля) и ослаблять связь между модулями по данным, применяя формальный механизм передачи параметров (слабое сцепление модулей).
Заметим также, что понятие модуля близко к концепции «черного ящика» в кибернетике так называют объект, в котором известна только зависимость выходов от входов. Однако в отличие от такой крайней ситуации здесь, при исследовании сложных систем мы обычно в состоянии проанализировать, что же происходит внутри модуля, но нам удобно не делать этого на определенной стадии рассмотрения.
Важность понятий модуля, входа, выхода подчеркивается и большим количеством их синонимов в различных разделах науки и техники. Так, например, синонимом модуля являются "агрегат, блок , "узел", "механизм" в технике; "подпрограмма", программный модуль", "логический блок" в программировании; подразделение", "комиссия" в организации и управлении.
Именно модульное строение системы в сочетании с принципе введения все более крупных модулей при сохранении обозрим го объема входов и выходов позволяет рассматривать в принципе сколь угодно сложные системы.

Вторая концепция иерархическая структура. Иерархией назовем структуру с наличием подчиненности, т. е. неравноправных связей между элементами, когда воздействия в одном из направлений оказывают гораздо большее влияние на элемент, чем в другом. Типичная иерархическая связь с воздействиями вида «информация» и «управление» изображена на рис. 2.1.
Виды иерархических структур разнообразны. Но основных, важных для практики иерархически структур всего две древовидная (веерная) и ромбовидная (рис. 2.2).


Рис. 2.2. Примеры иерархических структур. а – древовидная (веерная); б –
ромбовидная.

Ромбовидная структура ведет к двойной (иногда и более) подчиненности.
Иерархия позволяет стратифицировать систему по уровням понимания. Каждый уровень представляет собой совокупность структурных отношений между элементами нижних уровней. Концепция уровня позволяет понять систему, скрывая несущественные уровни детализации. Например, система, которую мы называем «человек», представляется иерархией. Социолог может интересоваться взаимоотношениями людей, не заботясь об их внутреннем устройстве. Психолог работает на более низком уровне иерархии. Он может исследовать различные логические и физические процессы в мозге, не рассматривая внутреннего строения областей мозга. Еще ниже в этой иерархии находится нейролог он имеет дело со структурой основных компонент мозга. Однако он может изучать мозг на этом уровне, не заботясь о молекулярной структуре отдельных белков в нейроне. Химик-органик интересуется построением сложных аминокислот из таких компонент, как атомы углерода, водорода, кислорода и хлора. Наконец, физик-ядерщик изучает систему на уровне элементарных частиц в атоме и взаимодействия между ними. Иерархия позволяет проектировать, описывать и понимать сложные системы. Если бы нельзя было принять описанный подход к изучению человека, социологу пришлось бы рассматривать его как необъятное и сложное множество субатомных частиц. Очевидно, что такое количество деталей подавило бы его, так что невозможны были бы даже те ограниченные знания о человеке, которыми мы располагаем.
Характерны следующие виды иерархии: временная, пространственная, функциональная, ситуационная и информационная.
Временная иерархия. Признаком деления здесь является интервал времени от момента поступления информации о состоянии объекта управления до выдачи управляющего воздействия. Чем больше интервал, тем выше уровень (ранг) элемента. Управление может осуществляться в реальном времени, с интервалом сутки, декада, месяц, квартал и т. д. Причем управляющий интервал выбирается не произвольно, а исходя из критериев, определяющих устойчивость и эффективность функционирования всей системы.
Пространственная иерархия. Признаком деления здесь является площадь, занимаемая объектом управления. Чем больше площадь объекта, тем выше его ранг. Данный признак субъективный, так как не всегда площадь, занимаемая объектом, соответствует его значимости, и его можно использовать в случае аналогичности параметров элементов одного уровня.
Функциональная иерархия. В основе лежит функциональная зависимость (подчиненность) элементов системы. Такое разделение также является субъективным, так как в этом случае трудно выделить границы между элементами системы.
Ситуационная иерархия. Деление на уровни в данном случае производится в зависимости от эффекта, вызываемого той или иной ситуацией, например от ущерба, возникающего в результате аварии или выхода из строя оборудования.
Информационная иерархия. В настоящее время этот вид иерархии является очень существенным в связи с возросшим значением информации для управления. В основе деления на уровни лежат оперативность и обновляемость информации. Именно через эти характеристики прослеживается иерархия информации по уровням управления предприятием.
На первом уровне хранится и обрабатывается повторяющаяся, часто обновляющаяся информация, необходимая для повседневной деятельности, т.е. для оперативного управления. Следующий уровень составляет информация более обобщенная, чем оперативная, и используемая не так часто. Информация группируется по функциональным областям и применяется для поддержки принятия решения по управлению производством. На верхнем уровне хранится и обрабатывается стратегическая информация для долгосрочного планирования. Для нее характерны высокая степень обобщенности, неповторяемость, непредсказуемость и редкое использование.

К этим двум концепциям сокращения сложности (независимость и иерархическая структура) можно добавить третью: выявление связей всюду, где они возникают. Основная проблема многих больших систем огромное количество независимых побочных эффектов, создаваемых компонентами системы. Из-за этих побочных эффектов систему невозможно понять.
Практически реальным и доступным путём для проектирования и исследования сложных систем управления является путь моделирования. Широко применяют полунатурное моделирование, когда кроме обычных моделирующих средств (вычислительных устройств того или иного класса) используют другие разнообразные устройства – отдельные натурные узлы объектов управления, пульты для сбора и отображения информации, средства связи между человеком и ЭЦВМ и т.д.


4. Назначение и общие принципы структурного анализа сложных систем.

При проведении анализа системы целесообразно оценить количественно качество структуры системы и её элементов с позиций общесистемного подхода. Рассмотрим основные структурно – топологические характеристики. Сначала выделим основные виды структур с точки зрения топологии внутренних связей.

Виды топологических структур рассмотрим на примере пяти элементов.


Рис. 4.29. Виды топологических структур: а) последовательная структура б) кольцевая структура; в) радиальная структура; г) древовидная структура; д) структура типа полный граф; е) несвязная структура

Рассмотрим основные структурно-топологические характеристики.

Связность структуры. Данная характеристика позволяет выделить наличие обрывов, висячие вершины и т. д.
Структурная избыточность. Это структурный параметр, отражающий превышение общего числа связей над необходимым минимальным числом связей.
Данная структурная характеристика используется для косвенной оценки экономичности и надежности исследуемой системы.
Среднеквадратичное отклонение учитывает неравномерность распределения связей или их несимметричность. Характеризует недоиспользованные возможности заданной структуры.
Структурная компактность. Сумма всех минимальных путей (цепей) между всеми элементами. Отражает общую структурную близость элементов в анализируемой структуре. Оценивает инерционность процессов в системе. Возрастание (как и среднеквадратичного отклонения) характеризует снижение общей надёжности.
Степень централизации структуры.

1. Для несвязных структур структурная избыточность R < О, для структур без избыточности (последовательная, радиальная, древовидная) R = 0; для структур с избыточностью по связям (кольцевая, полный граф) R > 0.
2. Структуры (последовательная, радиальная, древовидная) с R = 0 различаются по показателю е2, наибольшую неравномерность связей имеет радиальная структура.
3. Наибольшую близость элементов (показатель (?отн) имеет структура типа полный граф, наименьшую последовательная.
4. Радиальная и древовидная структуры, имеющие одинаковые или близкие значения R, Q0TH, d, значительно отличаются по показателям е2 и у, что соответствует физическому смыслу, ибо отход от полной централизации в структуре ведет к большей равномерности распределения связей по элементам.

Общая задача структурного анализа состоит в том, чтобы, исходя из заданного описания элементов и непосредственных связей между ними, получить заключение о структурных свойствах системы и ее основных подсистем.
Одной из главных задач структурного анализа АСУ является построение наглядной формальной модели, отображающей процесс взаимодействия между элементами или подсистемами, составляющими систему, а также их взаимодействие с внешней средой.

Применительно к автоматизированным системам используется три уровня их описания:
наличие связей;
наличие и направление связей;
наличие и направление связей и вид и направление движения сигналов, которые определяются взаимодействием элементов.
Основные решаемые задачи:
На первом уровне:
определение связности (целостности) системы. Если система оказывается несвязной, то ставят задачу выделения изолированных связных подсистем со списками входящих в них элементов;
На втором уровне:
определение связности (целостности) системы;
топологическая декомпозиция системы с выделением сильно связанных подсистем;
нахождение входных и выходных полюсов системы и в соответствии с этим выделение пунктов приема и выдачи информации;
выделение уровней в системе и определение их взаимосвязей;
На третьем уровне описания связей не только учитывается наличие и направление связей, но и раскрывается состав и характер сигналов взаимодействия элементов. Система отображается с помощью специально вводимых схем или моделей.
Основные задачи на этом уровне:
определение характера сигналов (входные, выходные, управляющие и т.п.);
построение моделей функционирования элементов системы и самой системы.


Расчленение системы на элементы может иметь материальную (вещественную), функциональную, алгоритмическую и другую основу. Группы элементов в структуре обычно выделяются по принципу простых или относительно более слабых связей между элементами разных групп. Структуру системы удобно изображать в виде графической схемы, состоящей из ячеек (групп) и соединяющих их линий (связей). Такие схемы называются структурными.
Структурная схема совокупность частей, на которые система разделяется по тем или иным признакам, и связей, изображающих каналы, по которым передаются воздействия от одной части к другой.
Основные элементы структурных схем. Основными элементами графическими образами) структурных схем являются: звенья, узловые точки, линии связи.
Звенья на структурных схемах изображаются прямоугольниками. Входами и выходами звеньев являются переменные системы и внешние (управляющие и возмущающие) воздействия. Внутри прямоугольников записываются передаточные функции звеньев.
Узловые точки на схемах делятся на два вида. Одни из них, к которым по линиям связи подходят сигналы, называются сумматорами. Другие точки, в которых происходит разветвление сигналов, называются узлами.
Линии связи - линии передачи сигналов, начинающиеся в узле и заканчивающиеся на сумматоре. Они могут иметь свободными начало и конец. Направление передачи сигналов по линиям связи указывается стрелками.
В теории управления структурные схемы разделяются на алгоритмические, функциональные и конструктивные.
Конструктивную схему изображают в виде отдельных блоков конструктивно обособленных частей системы и связей между ними (например, реактор, парогенератор, турбина, генератор).
Функциональной схемой называется схема, в которой каждому функциональному элементу системы соответствует определенное звено.
Функциональную схему изображают в виде отдельных элементов части системы, выполняющих определенные функции в процессе управления (например, измерительный блок, блок сравнения, усилитель, исполнительный элемент, корректирующая цепь, управляемый объект).


13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Рис. 2.2 Виды структурных схем.



Рис. 2.3 Функциональная схема системы управления.

Алгоритмическая (динамическая структурная) схема (используемая в ochоbhom в теории управлении) отображает динамические свойства системы. Такие схемы могут составляться по дифференциальному уравнению, и наоборот, по структурной схеме: если она полна и правильна, могут восстанавливаться дифференциальные yравнения.
Динамической структурной схемой называется схема, в которой каждой математической операции преобразования сигнала соответствует определенное звено. В дальнейшем для краткости динамические структурные схемы будем называть просто структурными схемами.
Структурные схемы могут быть двух типов: функциональные и операционные.
В первом случае каждому функциональному элементу схемы соответствует определенное звено, описываемое математически. При этом на сложность математического описания не накладывается каких-либо ограничений.
Во втором случае каждой элементарной математической операции соответствует определенное звено. Такими элементарными операциями обычно являются: изменение масштаба, изменение знака, интегрирование, дифференцирование, нелинейное преобразование, суммирование и умножение.

При составлении структурной схемы для удобства исследования её часто стремятся сделать близкой к конструктивной или функциональной, но это не обязательно. Иногда в целях упрощения удобнее преобразовать схему в схему вида, yпрощающего математическую обработку, отвлекаясь от конструктивных или функциональных особенностей.
В зависимости от задачи исследования в понятие структуры системы может вкладываться различный смысл. Так, при разработке структуры АСУ в это понятие входит, например, определение множества элементов системы и связей между ними, распределение задач, возлагаемых на технические средства АСУ, по уровням и элементам системы и выбор комплекса технических средств, обеспечивающего их своевременное решение.
При создании АСУ их структурные модели могут рассматриваться с различных позиций: с позиции организации, функций управления, используемых алгоритмов, используемых технических средств и т.п. В соответствии с этим могут быть выделены следующие аспекты структуры одной и той же системы и, как следствие, следующие модели:
организационная структура и ее модель;
функциональная структура и ее модель;
алгоритмическая структура и ее модель;
техническая структура и ее модель и т.п.


В процессе проектирования АСУТП решается задача выбора наиболее рациональной архитектуры системы. Анализ и синтез структур АСУТП требует, насколько это возможно, полного и точного описания характеристик их свойств, определяющих степень полезности их применения. При описании качества АСУТП необходимо выделить те ее свойства, от которых зависят результаты функционирования АЭС. Для АСУ ТП к числу определяющих отнесем следующие свойства (табл. 3.1) [25]:
динамические;
надежностные;
ресурсные;
системности.

Свойства и характеристики показателей качества АСУ ТП

Вид свойств
Характеристика свойств
Описание характеристики свойств
Тип оценки характеристики
Вид показателя

Динамиче-
Точность обра-
Статическая и дина-
Количест-
Установившая-

ские
ботки инфор-
мическая оценка сте-
венная
ся ошибка, пе-


мации или
пени достижения цели

ререгулирова-


управления
управления

ние, средне-квадратическая оценка и др.


Быстродействие
Запаздывание в пере-
Количест-
Периодичность



даче данных с нижнего уровня АСУ ТП в СВБУ
венная
обновления информации на экранах мониторов

Надежно-
Безотказность
ГОСТ 27.002-89
Количест-
ГОСТ 27.002-89

стные
Долговечность
Ремонтопригодность

венная


Ресурсные
Приведенные
Суммарные затраты,
Количест-
Стоимость сис-


капитальные затраты
приведенные к моменту ввода системы в эксплуатацию, включающие стоимость аппаратуры, математического обеспечения, строительных, монтажных и пуско-наладочных работ
венная
темы


Средние экс-
Прогнозируемые на
Количест-
Удельные экс-


плуатационные
заданном интервале
венная
плуатационные


затраты
эксплуатации, например, установленном ресурсе, или удельные, в единицу времени, затраты на эксплуатацию

затраты, ,.
*


Объем аппара-
Количество конструк-
Количест-
Объем аппара-


туры
тивных единиц(модулей, шкафов и т.п.)
венная
туры


Объем произ-
Полный объем в мет-
Количест-
Объем помеще-


водственных помещений
рических единицах
производственных
помещений
венная
нии


Вид свойств
Характеристика свойств
Описание характеристики свойств
Тип оценки характеристики
Вид показателя

Системно-
Унифициро-
Возможность приме-
Качествен-
-

сти
ванность
нения для СКУ, относящихся к одному классу по отношению к безопасности
ная



Удобство экс-
Трудоемкость основ-
Качествен-
Длительность


плуатации
ных работ, связанных с переналадкой, настройкой параметров, корректировкой алгоритмов, техническим обслуживанием и ремонтом
ная
технического обслуживания;
Длительность переналадки и т.п.


Модернизаци-
Возможность улучше-
Качествен-
-


онная способность
ния динамических и надежностных характеристик за счет наращивания объема аппаратуры или замены отдельных блоков на более современные
ная



Открытость для
Возможность развития
Качествен-
Стандартизация


развития
системы за счет ввода в систему новых ПТС
ная
интерфейсов


В практике создания АСУ ТП пользуются различными неформальными приемами структурного синтеза сложных систем и методами моделирования систем. Неформальные приемы по существу сводятся к перебору вариантов или "синтезу через анализ". Суть его состоит в том, что, приступая к синтезу системы, исследователь намечает некоторый "первоначальный" вариант системы (ее структуры и значений параметров). Этот вариант известными методами анализа подвергается всестороннему обследованию определяются показатели эффективности, надежности, помехозащищенности и др., строится область устойчивости в пространстве параметров и т.д. По мере обследования варианта системы накапливаются сведения, весьма ценные для синтеза. Сюда в первую очередь относятся тенденции в поведении тех или иных показателей при изменении значений параметров системы [23].
К формализованным схемам анализа относятся аналитическое и имитационное моделирование АСУ ТП [23, 24, 27, 28].
Аналитическое моделирование АСУ ТП
Применение аналитического моделирования целесообразно для анализа сравнительно несложных структурных схем, например структурной схемы конкретной СКУ. При исследовании временных показателей системы формализация ее функционирования осуществляется путем представления ее как системы массового обслуживания (СМО), поведение которой при определенных условиях может быть описано на языке марковских процессов, в том числе и процессов типа "гибель и размножение".
Системами (моделями) массового обслуживания называют математические модели систем, которые предназначены для обслуживания требований, поступающих через случайные промежутки времени, причем длительность обслуживания в общем случае также случайна.
1.0. Основная задача теории массового обслуживания
Системами (моделями) массового обслуживания называют математические модели систем, которые предназначены для обслуживания требований, поступающих через случайные промежутки времени, причем длительность обслуживания в общем случае также случайна.
Примером требований могут служить телефонные разговоры, пересечение перекрестков, обращение к врачу, ремонт вышедших из строя приборов. Поведение систем обслуживания кроме их структуры (см. § 1.4) в основном определяется последовательностью случайных моментов поступления требований, т. е. потоком требований, и последовательностью случайных длительностей 'их обслуживания на отдельных приборах. Вероятностное описание этих двух случайных факторов содержится в § 1.1 и 1.3. Состояние систем обслуживания (существуют различные способы их математического описания) изменяется случайно с течением времени. Для математического анализа систем обслуживания разработаны удобные, но порой довольно сложные методы, большая часть которых здесь будет приведена. При этой мы ограничимся такими методами, которые предназначены для решения следующей основной задачи.
Заданы: система обслуживания определенного типа и статистическая структура последовательностей требований и последовательностей обслуживания. Под этим мы понимаем, например, независимость случайных временных интервалов между моментами поступления требований (пауз) и длительностей обслуживания, а также задание их распределений.
Определяются: величины, характеризующие систему в целом, например стационарные или зависящие от времени вероятности определенного события (все приборы заняты, требование либо потеряно, либо должно ожидать начала обслуживания и т. д.), или законы распределения дискретных или непрерывных случайных величин, характеризующих систему в целом (случайное количество требований, находящихся в системе, или случайное время ожидания произвольным требованием), или их математические ожидания (например, количества требований, находящихся в системе, или случайного времени ожидания).
На основе таких характеристик системы можно решать и другие задачи, например выбор структуры системы или статистической структуры последовательностей требований и последовательностей длительностей обслуживания для оптимизации функционирования системы в целом.

Существуют следующие типы систем.
Системы с потерями требования, которые при поступлении*не находят ни одного свободного прибора, теряются.
Системы с ожиданием возможно ожидание для любого числа требований, которые не могут быть обслужены сразу. Они, составляют очередь, и с помощью некоторой дисциплины обслуживания определяется, в каком порядке ожидающие требования выбираются из очереди для обслуживания. Важными дисциплинами обслуживания являются:
FIFO (first in first out) требования обслуживаются в порядке их -поступления;
LIFO (last in first out) каждый раз преимущество имеет требование, поступившее последним;
SIRO (service in random order)очередное требование выбирается из очереди наудачу.
Комбинированные системы с ожиданием и потерями (системы «ожидания с ограничениями). Например, ожидать может только конечное число требований, определяемое числом мест ожидания т< + со. Требование может теряться и тогда, когда время ожидания или пребывания превышает заданные границы.
Приоритетные системы: поступающие требования имеют различные приоритеты. Если поступившее требование обладает высоким приоритетом, а все приборы обслуживания заняты, то оно либо занимает одно из первых мест в очереди, либо временно прекращает обслуживание требования низкого приоритета, либо вообще прекращает его.
Эти различные возможности определяются приоритетными правилами. Различают два важных приоритетных правила:
1. Абсолютный (прерывающий) приоритет ^preemptive discipline): при поступлении требования высокого приоритета прерывается обслуживание требования низкого 'приоритета, если такое имеется. Рассматривают случаи абсолютного приоритета с потерями (preemptive loss discipline), абсолютного приоритета с до-обслуживанием (preemptive resume discipline) и абсолютного
·приоритета с обслуживанием заново (preemptive repeat different discipline).
2. Относительный приоритет (head of the line priority discipline): требование высокого приоритета занимает первое место в
· очереди, и не происходит никаких прерываний.
Существуют также смешанные приоритетные правила (выбор абсолютного или относительного приоритетного правила в зависимости от уже реализованных длительностей обслуживания) й динамические приоритетные правила, при которых при поступлении требований выбор одного из указанных правил зависит от типа требований и от некоторых характеристик состояния системы, -.например от количества уже имеющихся или ожидающих обслуживания требований различных приоритетов.

Определить модель системы в виде СМО значит задать характеристики всех основных ее элементов:
характеристики потока требований и источника требований;
правило формирования очереди;
характеристики обслуживающей системы (характеристики закона обслуживания, число каналов, число фаз обслуживания, правило обслуживания).

Для систем без потерь (с неограниченным временем ожидания) весьма важными показателями эффективности качества обслуживания являются:
среднее число требований в очереди;
среднее число требований в системе;
среднее время ожидания требования в очереди;
среднее время пребывания требования в системе;
коэффициент простоя или коэффициент загрузки обслуживающей системы и т.п.
Имитационное моделирование АСУ ТП. Имитационное моделирование является наиболее универсальным методом исследования систем и количественной оценки характеристик их функционирования. При имитационном моделировании динамические процессы системы-оригинала подменяются процессами, имитируемыми в абстрактной модели.
Метод имитационного моделирования по сравнению с аналитическими методами позволяет использовать более обширную информацию о процессе и достаточно обстоятельно изучать переходные режимы.
Оценка интересующих нас показателей функционирования системы производится по многократному числу реализаций или по одной достаточно длинной реализации.























Тема III: Исходные понятия теории управления и регулирования.

1. Основные термины и определения ТАР.
2. Функциональная схема САР.
3. Декомпозиция задач и систем управления
3. Основные свойства объекта управления.
4. Состав регулятора .


1. Основные термины и определения ТАР.

Рассмотрим некоторые основные понятия автоматики, касающиеся принципиальных теоретических вопросов автоматического управления. К таким понятиям следует отнести: управляемый объект, управление, автоматическое управляющее устройство, автоматическую систему, воздействие, сигнал, обратную связь и др. Эти понятия являются общими для автоматического управления в самых различных областях науки и техники независимо от конкретных особенностей, принципа действия и практического назначения той или иной автоматической системы.
Ранее уже рассматривались понятия управления и цели системы:
Управление – целенаправленное вмешательство в процесс в системе.
Цель системы - получение желаемого выходного воздействия или достижения желаемого состояния системы.
Регулирование – разновидность управления, целью которого является поддержание постоянной или изменение по заданному закону некоторой величины, характеризующей процесс.
Объект, в котором протекает управляемый процесс, называется управляемым объектом или объектом управления.
Система управления (СУ) – совокупность управляющего устройства (УУ) и объекта управления (ОУ).
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рис. 3.1. Функциональная схема системы управления.


Состояние объекта определяется рядом величин, характеризующих как воздействие на объект внешней среды и управляющих устройств, так и протекание процессов внутри самого объекта.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рис. 3.2. Функциональная схема воздействий на объект управления.
f = f ( f1, f2, fk ) - неконтролируемые возмущения;
g = g (g1, g2, gr ) – контролируемые возмущения;
u = u (u1, u2, us) – управляющие воздействия;
x = x (x1, x2, xn ) – переменные состояния (фазовые координаты объекта);
y = y (y1, y2, ym ) – выходные (наблюдаемые) переменные;

Контролируемые величины, характеризующие состояние объекта, по которым ведётся управление, называются управляемыми, или регулируемыми величинами.
Величины, выражающие внешние влияния на объект называются воздействиями.
Воздействия, вырабатываемые управляющим устройством или задаваемые
человеком, называются управляющими воздействиями.
Воздействия, не зависящие от системы управления, называются возмущениями.
Возмущения можно разделить на два вида: а) нагрузка, б) помехи.
В общем случае управляющие, возмущающие воздействия и состояния объекта – векторы.
Если объект характеризуется одной управляющей и одной управляемой величиной, то векторы u и y имеют по одной координате, и объект называется простым или односвязным (одномерным).
При наличии нескольких взаимосвязанных координат векторов u и y объект называется многосвязным (многомерным).

Управление, осуществляемое без участия человека, называют автоматическим, а техническое устройство, выполняющее в этом случае функции управления, автоматическим управляющим устройством или контроллером; объект управления и контроллер во взаимодействии друг с другом образуют систему автоматического управления.
Системы автоматического управления – чисто машинные комплексы, построенные по законам автоматического регулирования и применяемые главным образом для управления технологическими и производственными процессами, описание которых может быть полностью формализовано.
Система автоматического управления – совокупность управляемого объекта и управляющего устройства, взаимодействующих между собой в соответствии с законом (алгоритмом) управления.

2. Функциональная схема САР.
Простейшая функциональная структурная схема системы управления показана на рис.3.3 Здесь контроллер КН, получая информацию о цели управления в виде меняющегося во времени t сигнала задания x(t), формирует управляющее воздействие u(t) на объект ОБ таким образом, чтобы управляемая величина у(t) менялась в соответствии с изменением x(t), т. е. так, чтобы достигалась цель управления:





Рис.3.3. Функциональная схема системы автоматического управления.

Очевидно, что подобная система управления может реально функционировать только тогда, когда между изменением y(t) и вызвавшим его изменением \x(t) в объекте существует однозначное соответствие. Это соответствие отражается в математической модели объекта, которая предполагается заранее известной и может быть использована для определения алгоритма функционирования контроллера (алгоритма управления). Этот алгоритм определяет, как следует изменять управляющее воздействие u(t) в зависимости от изменения x(t) для того, чтобы была достигнута цель управления.
Информацию о математической модели объекта, используемую для проектирования алгоритма функционирования контроллера, называют априорной (начальной) информацией об объекте управления.
Практически рассмотренная структура системы управления может функционировать только при выполнении следующих довольно жестких условий: на объект управления не действуют никакие возмущения; математическая модель объекта известна для любого момента времени с достаточно высокой точностью; требуемый алгоритм управления может быть реализован в контроллере с достаточно высокой точностью.
Нарушение хотя бы одного из этих условий приведет к появлению неконтролируемого самопроизвольного отклонения управляемой величины от желаемого значения, причем с течением времени это отклонение может стать сколь угодно большим.
В этом случае в структуру системы управления приходится вводить добавочный канал, по которому контроллер получает информацию о действительном значении управляемой величины в каждый момент времени; это позволяет контроллеру при появлении отклонения от желаемого значения (независимо от того, какой причиной оно вызвано) осуществить добавочное изменение управляющего воздействия на объект так, чтобы это отклонение было ликвидировано.





Рис. 3.4. Функциональная схема замкнутой системы автоматического
управления.

Соответствующая информационная структурная схема системы приведена на рис.3.4; канал, по которому информацию с выхода системы об изменении управляемой величины подается на вход контроллера, называют каналом обратной связи, или просто обратной связью. На этой схеме, помимо управляющего воздействия на объект ц (t), показаны также возмущающие воздействия X (t), число которых может быть неопределенно большим; среди них могут быть и недоступные для контроля.
В процессе работы контроллер получает текущую информацию о цели управления, а также информацию о текущем состоянии объекта и среды его функционирования и в соответствии с этой информацией (которая называется рабочей) формирует управляющие воздействия на объект так, чтобы была достигнута цель управления.
В системе с обратной связью (рис. 3.4) имеется замкнутый контур циркуляции сигналов; поэтому такие системы получили также название замкнутых систем управления. Соответственно систему управления без обратной связи (рис.3.3) называют разомкнутой.
На практике, особенно при управлении технологическими (и в том числе теплоэнергетическими) процессами, сформулированные выше условия применимости разомкнутых систем управления почти никогда не выполняются, так что реальные системы управления обычно имеют в своей структуре замкнутые контуры.


В зависимости от характера изменения сигнала задания (задающего воздействия) системы управления принято разделять на три вида:
1. Стабилизации, если задающее воздействие не меняется во времени.
2. Программного управления, если задающее воздействие является заранее известной (детерминированной) функцией времени.
3. Зависимого управления, или следящей, если задающее воздействие является неопределенной в будущем функцией времени, т. е. такой функцией, характер изменения которой в будущем нельзя прогнозировать или в лучшем случае можно прогнозировать лишь с определенной степенью вероятности.

Управление называется непрерывным, если осуществляемое контроллером изменение управляющего воздействия происходит в непрерывной зависимости от изменения задающего воздействия и управляемой величины (а возможно, и от производных и интегралов от этих изменений). В случае дискретного управления управляющее воздействие принимает лишь какое-нибудь одно из нескольких возможных значений (в пределе только из двух возможных значений) либо формируется в дискретные моменты времени.
Дискретное управление, в частности, применяется тогда, когда алгоритм управления имеет характер логических условий; в этом случае его называют логическим. Логическое управление чаще всего применяется в пусковых режимах объекта, когда необходимо в определенной последовательности вводить в действие отдельные двигатели, механизмы и т. п. Обычно на практике при управлении сложными технологическим объектами непрерывное и дискретное управления применяются совместно. Так, управление температурой пара, вырабатываемого энергоблоком, производится непрерывно изменением положения клапана подачи воды на впрыск; однако при сильных изменениях нагрузки может понадобиться, кроме того, и переключение в схеме питательных магистралей и т. п.

3. Декомпозиция задач и систем управления

На практике задача управления, как правило, расчленяется на несколько взаимосвязанных, но в то же время относительно самостоятельных задач, что приводит и к расчленению системы управления на более мелкие соподчиненные подсистемы. Подобное скоординированное между собой расчленение задач и систем управления получило название декомпозиции задач и систем управления.
Как правило, из общей задачи управления выделяется задача устранения (или, по крайней мере, сведения к допустимому минимуму) вредного влияния на достижение цели управления действующих на объект неконтролируемых возмущений, а также неконтролируемых погрешностей в задании модели объекта, т. е. задача, которая в структуре замкнутой системы управления (рис. 1.1, б) решается на основе рабочей информации, получаемой контроллером по каналу обратной связи. Эта относительно самостоятельная часть задачи управления получила название задачи регулирования объекта, а часть системы управления, выполняющая эту задачу, подсистемы регулирования.
В результате подобной декомпозиции задачи управления контроллер расчленяется на два соподчиненных блока:
1) регулирующий, осуществляющий функции регулирования; этот блок обычно называется автоматическим регулятором, или просто регулятором;
2) командный, вырабатывающий командное воздействие на регулятор таким образом, чтобы была достигнута цель управления.

Рис. 3.5. Функциональная схема системы автоматического управления.


Структура системы управления в этом случае приобретает указанный на рис. 1.2 вид. Командное воздействие и (t), вырабатываемое командным блоком КБ, подается на вход подсистемы регулирования (на схеме она очерчена штриховой линией), где на основании выявленного отклонения управляемой величины от командного воздействия ер (t) = и (t) у (t) регулятор Р формирует управляющее воздействие \i (t). Выявление отклонения ер (t) происходит в сумматоре, обозначенном на схеме кружком; знак, с которым берется каждое слагаемое, указан у концов соответствующих стрелок, входящих в сумматор.
Смысл подобного, опосредствованного через подсистему регулирования, управления состоит в том, что отклонения управляемой величины от ее заданного значения, вызванные возмущениями и другими неучтенными факторами, достаточно эффективно устраняются регулятором, так что такую систему управления можно рассматривать как систему управления объектом без возмущений (см. рис. 1.1, а), функции которого теперь выполняет подсистема регулирования в целом.
Рассмотренную систему управления (рис. 1.2) можно считать двухуровневой: первый (нижний) уровень образует подсистема регулирования, второй система управления со структурой, показанной на рис. 1.1, а, в которой в качестве контроллера КН выступает КБ, а в качестве объекта ОБ подсистема регулирования. Такого рода двухуровневые (а в общем случае и многоуровневые) структуры систем управления, в которых верхний уровень выполняет командные функции по отношению к нижестоящему уровню, получили название иерархических структур систем управления. Расчленение системы на соподчиненные уровни, на каждом из которых решается своя, относительно простая частная задача управления, позволяет сравнительно просто и эффективно решать общую задачу управления.

3. Основные свойства объекта управления.

Аккумулирующая способность (ёмкость) – способность объекта накапливать рабочую среду или энергию (ёмкость резервуара, момент инерции вращающихся частей турбогенератора, теплоёмкость объёма жидкости.)
Самовыравнивание – способность объекта самостоятельно, без участия регулятора приводить возникающее несоответствие между притоком и расходом рабочей среды к нулю, а регулируемую величину к новому
установившемуся значению. Иногда под самовыравниванием понимают
устойчивость - способность объекта после кратковременного внешнего
воздействия с течением времени возвращаться к исходному состоянию или
близкому к нему.
Время разгона объекта - принято называть полным временем разгона объекта продолжительность процесса самовыравнивания при начальном возмущающем воздействии, равном единице, в течение которого, начиная от нуля, регулируемая величина достигает (1 1/n)части своего номинального значения. Обычно принимают n = 100.
Постоянная времени объекта - время разгона объекта при отсутствии самовыравнивания. Для определения этого времени Та следует провести касательную к кривой разгона r (t) в начальной точке и определить точку пересечения этой касательной с прямой номинального значения регулируемой величины.
Для объектов, не имеющих самовыравнивания, значения времени разгона Т и постоянной времени Та совпадают.





















4. Назначение и состав регулятора.

Регулятор (АУУ – автоматическое управляющее устройство) – устройство, осуществляющее воздействие на управляемый объект в соответствии с заложенным в нём законом управления.

В состав регулятора входят следующие элементы:
- чувствительные датчики
преобразовательные
- измерительные Измеряют параметр или сигнал рассогласования
усилительные усилители
- исполнительные перемещают регулирующие органы
(электродвигатели, гидро- и сервоприводы.). Исполнительный элемент – последнее звено регулятора.
элементы корректирующих цепей. (обратная связь)




Рассмотрим функциональную схему системы автоматического регулирования (рис. 11), которая состоит из объекта регулирования ОР и регулятора (автоматического управляющего устройства). В этой системе функционально необходимыми элементами, т. е. такими элементами, при помощи которых реализуется принцип управления по отклонению, являются объект регулирования ОР и измерительное 1, усилительное 2 и исполнительное 4 устройства.
В общем случае автоматический регулятор может рассматриваться состоящим из группы элементов, каждый из которых имеет свое определенное назначение.
В отдельных случаях некоторые из этих элементов не входят в состав регулятора или входят в объединенном виде с другими. Ниже приводятся краткие сведения об этих элементах.
а) Измерительные (чувствительные) элементы и датчики
Назначение измерительных элементов измерять в процессе регулирования действительное значение регулируемой величины или основного возмущающего воздействия в зависимости от избранного принципа регулирования.
В связи с этим выходная мощность элемента весьма невелика и обычно недостаточна для непосредственного приведения в движение регулирующего органа.
По этой причине измерительные элементы регулируемых величин в системах регулирования часто называют чувствительными элементами.
К измерительному элементу часто присоединяют преобразовательный элемент. Последний преобразовывает измеряемую неэлектрическую величину в электрическую или в другую, необходимую по условиям работы системы.
Измерительные элементы систем регулирования, соединенные с такими преобразователями, часто называют датчиками.

Требуемое значение регулируемой величины вырабатывается в задающем устройстве ЗУ. ЗУ может входить в состав регулятора и являться тогда частью измерительного устройства. Оно может также находиться на значительном расстоянии от автоматической системы и быть связанным с ней дистанционно (по проводам или по радио).
в) Элементы сравнения (датчики рассогласования)
Назначение элемента сравнения состоит в определении рассогласования между действительным и предписанным значениями , регулируемой величины и выдачи управляющего сигнала регулятору. Элемент сравнения часто совмещается с задатчиком и измерительным элементом.
Измерительное устройство вырабатывает сигнал ис, называемый иногда сигналом ошибки, который пропорционален отклонению Ах регулируемой величины хВь.х от требуемого значения хвх:

где kc^- коэффициент передачи измерительного устройства.




Усилительное устройство * усиливает сигнал ошибки до величины иу, достаточной для управления исполнительным устройством. Усиление сигнала ошибки происходит за счет энергии внешнего источника. В простейших системах, где сигнал ошибки имеет достаточную мощность, усилительное устройство может отсутствовать. Однако такие системы, которые называют системами прямого регулирования, находят ограниченное применение из-за недостаточной точности регулирования.
е) Исполнительные элементы
Назначение исполнительных элементов непосредственно воздействовать на регулирующие органы объекта.
В качестве исполнительных элементов применяются различные вспомогательные двигатели (серводвигатели): электрические, гидравлические и пневматические; а также различные механизмы, могущие передавать усилия с одного конца механизма на другой его конец.
При этом чувствительный элемент воздействует только на управляющий орган вспомогательного механизма. Управляющий орган сервомотора можно рассматривать как некоторый усилитель, поэтому во многих трудах по теории регулирования сервомоторы относят к категории усилителей.
Исполнительный элемент является последним звеном регулятора.
Исполнительное устройство вырабатывает управляющее воздействие и, которое через регулирующий орган (его мы отнесем к объекту регулирования) прикладывается к объекту регулирования с тем, чтобы свести к нулю рассогласование.
ж) Корректирующие устройства

Для улучшения динамических свойств в систему, кроме рассмотренных функционально необходимых элементов, вводят корректирующие устройства, которые в зависимости от места включения бывают последовательными и параллельными. Последовательное корректирующее устройство 3 включается в цепь сигнала ошибки и обычно находится между отдельными каскадами усилителя. Параллельное корректирующее устройство 5 выполняется в виде местных обратных связей, которыми охватываются наиболее инерционные элементы
Корректирующее устройство, путем различных дополнительных воздействий на рабочий процесс системы, изменяет протекание процесса регулирования. Эти воздействия могут быть пропорциональны регулируемой величине или какому-либо другому избранному параметру, или пропорциональны скорости изменения избранных параметров, а в некоторых случаях и ускорению.
Иногда требуется, чтобы дополнительное воздействие корректирующего устройства было пропорционально интегральному значению изменения избранного параметра за заданный промежуток времени.

Если в регуляторе отсутствует усиление сигналов управления по мощности, то он называется регулятором прямого действия. В регуляторе прямого действия измерительное устройство непосредственно соединяется с регулирующим органом.
Регулирующий орган непосредственно воздействует на регулируемую среду, поступающую в объект регулирования с целью количественного или качественного изменения этой среды для поддержания заданного значения регулируемого параметра.
Как правило, регулирующий орган тесно связан с объектом регулирования и, во многих случаях, конструктивно встроен в объект. (например, у всех силовых двигателей).
Для возможности управления энергоблоком в его конструкции предусмотрены специальные клапаны на трубопроводах питательной воды и пара, направляющие аппараты вентиляторов и т. д.
Разделение всех элементов, входящих в цепь регулирования, на регулируемый объект и автоматический регулятор в ряде случаев оказывается условным, так как некоторые из элементов схемы в равной степени можно отнести и к регулятору и к объекту (например, регулирующий орган).

Поплавковый регулятор уровня. Одним из первых в мире технических регуляторов является поплавковый регулятор уровня жидкости, построенный И. И. Ползуновым в 1795 г. для поддержания постоянного уровня воды в паровом котле. Сейчас регуляторы такого типа находят широкое применение в технике. Примером простейшего и в то же время наиболее распространенного современного регулятора уровня является поплавковая камера автомобильного карбюратора (рис. 1.24, а).
Объектом регулирования является камера 1, в которой уровень бензина Н непосредственно измеряется положением поплавка 2. Системой рычагов с поплавком связана игла 3, регулирующая приток бензина в камеру Q. При уровне Н = Н0 игла полностью запирает канал притока бензина, т. е. Q = 0. Величина H 0 задает требуемое значение регулируемой величины; она устанавливается при наладке регулировкой рычага иглы.
Внешним неконтролируемым воздействием служит расход бензина Q, поступающего к жиклерам двигателя. Этот расход приводит к уменьшению уровня в поплавковой камере.

Функциональная схема рассматриваемого регулятора показана на рис. 1.24, б. В ней выделено два элемента системы: поплавковая камера, служащая объектом, совмещенным с измерительным устройством, на вход которого подается разность Q - G, а выходной величиной является уровень бензина H; исполнительное устройство, представляющее собой управляемый изменением положения поплавка и перемещением иглы канал притока бензина, задающий величину Q.
Поплавковый регулятор уровня. Зависимость между перемещением поплавка е = Н0 Н по отношению к заданному уровню Н0 и скоростью притока бензина Q в поплавковую камеру выражается некоторой монотонной функцией Q (e). Учитывая уравнение резервуара (1.3), для регулятора можно записать уравнение:
которое соответствует общему выражению (2.1) при x13 EMBED Equation.3 1415= H,. v, = H0, f13 EMBED Equation.3 1415 =G.
.В качестве координаты вектора у можно принять y13 EMBED Equation.3 1415 = Н. Структурная схема, соответствующая уравнению (2,3), представлена на рис. 2.2
















Тема IV: Основные принципы регулирования и математического описания динамики объектов и систем

1. Основные принципы регулирования.
2. Классификация систем автоматического управления
по виду начальной и рабочей информации.
3. Основные принципы математического описания
динамики объектов и систем.
4. Линеаризация уравнений движения системы.
5. Внутренняя модель системы.
6. Внешняя модель системы.
7. Общие сведения о преобразовании Лапласа.
8. Классификация систем автоматического управления
по виду оператора системы.



1. Основные принципы регулирования.

Одна из основных задач построения автоматических систем состоит в том, чтобы решить, каким образом при помощи простейших технических средств получить и передать тот объем информации, который необходим для достижения цели управления.
Несмотря на существенное разнообразие технических процессов, построение аппаратуры управления и автоматических систем основывается на ряде общих принципов управления, основные из которых следующие: принцип управления по отклонению, принцип управления по возмущению, принцип комбинированного управления и принцип адаптации.
Принцип автоматического управления определяет, как и на основе какой информации формировать управляющее воздействие в системе. Одним из основных признаков, характеризующих принцип управления, является требуемая для выработки управляющего воздействия рабочая информация, а следовательно, и конфигурация цепей передачи воздействий в системе. Выбор принципа построения автоматической системы зависит от ее назначения, характера изменения задающего и возмущающих воздействий, возможностей получения необходимой рабочей информации, стабильности параметров управляемого объекта и элементов управляющего устройства и т. п.
Принцип управления по отклонению. Если в автоматической системе управляющее воздействие вырабатывается на основе информации об отклонении управляемой величины от требуемого значения, то говорят, что система построена на основе принципа управления по отклонению, или принципа обратной связи. Для реализации этого принципа в управляющем устройстве необходимо осуществлять сравнение действительного значения управляемой величины с требуемым (предписанным) значением и управлять объектом в зависимости от результатов этого сравнения.



На рис. 3 изображена блок-схема автоматической системы с обратной связью. Управляющее воздействие и в этой системе вырабатывается в зависимости от значений функции отклонения функции разности A* (t) между требуемым хвх (t) и действительным xBMK(t) значениями управляемой величины:
и = F(Ax).
Связь между отклонением и управляющим воздействием устанавливается некоторым оператором W1 характеризующим свойства управляющего устройства. Динамические свойства управляемого объекта можно описать оператором W2, устанавливающим связь между управляемой величиной и управляющим воздействием.
Таким образом, характерной чертой автоматических систем, построенных на основе принципа управления по отклонению, является наличие обратной связи.
Обратная связь это такая связь, по которой информация о состоянии управляемого объекта (контрольное воздействие, соответствующее действительному значению управляемой величины)передается с выхода системы на вход управляющего устройства. Обратную связь называют отрицательной, если по ней


Принцип управления по отклонению является универсальным и эффективным, поскольку он позволяет управлять неустойчивыми объектами, а также осуществлять требуемый закон изменения управляемой величины с допустимо малым отклонением (ошибкой) независимо от того, какими причинами последнее вызвано. Так, например, влияние возмущающего воздействия f(t) в системе (рис. 3) можно значительно ослабить без непосредственного его измерения благодаря свойствам обратной связи.

Принцип управления по возмущению. Принцип управления по возмущению, или принцип компенсации возмущений, состоит в том, что управляющее воздействие в системе вырабатывается в зависимости от результатов измерения возмущения, действующего на объект. Системы, построенные по этому принципу, работают по разомкнутой цепи, т. е. не имеют обратной связи. Системы с разомкнутой цепью воздействий разделяют на две группы: системы компенсации и системы программного управления.






В системе компенсации (рис. 7, а) на управляемый объект (УО) воздействует координатное возмущение fK (t), изменяющее регулируемую величину л:ВЫх (0-Это возмущение измеряется специальным устройством У1. Полученный сигнал усиливается и преобразуется, если это необходимо, в другой части автоматического управляющего устройства (АУУ) У2. Следовательно, управляющее воздействие является функцией возмущающего воздействия:
" = /?(/к).
Величина и знак управляющего воздействия должны быть такими, чтобы полностью или в значительной степени компенсировать влияние возмущающего воздействия на объект.
Таким образом, автоматическими системами с разомкнутой цепью воздействий называются системы, в которых управляющее воздействие вырабатывается в функции задающего или возмущающего воздействия, а в общем случае в функции обоих воздействий одновременно:
и = F (хвх, /к).
В настоящее время принцип управления по возмущению широко применяется, потому что он позволяет уменьшить погрешности автоматических систем, вызываемые как задающими, так и возмущающими воздействиями. Его основное достоинство высокое быстродействие цепей компенсации, так как система реагирует непосредственно на причину, а не на следствие. Однако этот принцип имеет недостатки. Основной из них избирательность: не всегда возможно измерить и учесть все возмущения. Обычно учитывается действие лишь одного или нескольких наиболее существенных возмущений, которые измеряются управляющим устройством.
Системы программного управления (рис. 7, б) также распространены в технике. К ним относятся, например, станки с программным управлением. В этих системах программа хранится в запоминающих устройствах и в цифровом виде поступает на исполнительные устройства, обеспечивая определенный закон изменения управляемой величины. Следовательно, разомкнутыми системами программного управления называются такие системы, в которых управляющее воздействие вырабатывается в функции задающего воздействия (программы). При этом в большинстве случаев возникает необходимость в применении принципа компенсации возмущений.
Принцип комбинированного управления. Современные автоматические системы высокой точности обычно строят на основе принципа комбинированного управления, сочетающего в себе принципы управления по отклонению и по возмущению. При этом в автоматических системах комбинированного управления наряду с замкнутыми контурами, образуемыми отрицательными обратными связями, имеются цепи компенсации основного возмущающего воздействия /к (рис. 8, а) или дополнительная цепь компенсации ошибок от задающего воздействия хвх (рис. 8, б).



Рис. 8. Блок-схемы систем комбинированного управления
с компенсацией возмущающего воздействия (а)
и с цепью компенсации ошибок от задающего воздействия (б):
Уе управляющее устройство по возмущению.
В первом случае управляющее воздействие и = F (Ах, fK), а во втором = F (Ах, хвх). Действие неучтенных возмущений в комбинированных системах компенсируется или ослабляется контуром управления по отклонению.
Принцип адаптации. Рассмотренные принципы автоматического управления долгое время были единственными. Однако успешное развитие кибернетики позволило применить в автоматических системах новый принцип управления, называемый принципом адаптации (приспособления). Отличительные особенности этого принципа поясним на примере самонастраивающейся автоматической системы (рис. 10), которая состоит из основной системы и дополнительных устройств.


Рис. 10. Блок-схема самонастраивающейся автоматической системы.

Основная система построена согласно принципу управления по отклонению и включает управляемый объект (УО) и автоматическое управляющее устройство (АУУ).
На ее вход вместе с полезным сигналом хвх (t) поступает помеха п (t). Спектральные плотности этих функций могут изменяться в процессе работы системы. Кроме координатного возмущения /к (t), на УО действует параметрическое возмущение /п (t), при этом динамические характеристики управляемого объекта изменяются в широких пределах. В таких сложных условиях работы система должна обладать способностью настройки своего основного управляющего устройства (АУУ).
Для достижения требуемых показателей качества процесса управления к основной системе подключены следующие дополнительные устройства, образующие контур самонастройки:
устройство анализа входного сигнала (УАС)оценивает свойства входного сигнала, например скорость и ускорение изменения задающего воздействия xBX(t), а также определяет спектральную плотность помехи п (t) или отношение сигнал/шум. Такой анализ необходим для выбора критерия оптимальности системы;
устройство анализа объекта (У АО) предназначено для оценки изменений динамических характеристик управляемого объекта. Если, например, под воздействием параметрического возмущения /п (г) коэффициент передачи объекта изменяется, то это изменение можно оценить количественно на основе анализа функций и (f) и хвых (t);
вычислительное устройство (ВУ) определяет способ изменения характеристик основного управляющего устройства (параметров, структуры или закона управления) на основе заложенных в нем критериев оптимальности системы и информации, получаемой от устройств анализа сигнала и объекта;
исполнительное устройство контура самонастройки (ИУ)выполняет функцию настройки управляющего устройства в соответствии с сигналами, получаемыми от вычислительного устройства. Воздействие самонастройки V является функцией многих переменных:
V F (хВХу Хвых> ^» н, t, . . .).
Таким образом, работу контура самонастройки можно представить как процесс автоматической настройки управляющего устройства основной системы по совокупности текущей информации об изменяющихся условиях работы для достижения поставленной цели управления.

2. Классификация систем автоматического управления.

Классификация систем по виду начальной и рабочей информации.

Дать подробную законченную классификацию систем автоматического управления практически невозможно.
С точки зрения общности классификации систем автоматического управления наиболее удобным классификационным признаком является используемая информация об управляемом процессе или системе.
Информация – любая совокупность сведений, первичным источником которых является опыт.
При классификации систем автоматического управления следует различать два вида информации: начальную или априорную информацию и рабочую информацию.
Необходимой начальной или априорной информацией назовём совокупность сведений об управляемом процессе или системе, необходимых для построения и функционирования данной системы автоматического управления рассматриваемым процессом и имеющихся в нашем распоряжении до начала функционирования системы.
Рабочей информацией называется совокупность сведений о состоянии процесса, используемых в самом процессе.
Рабочая информация передаётся в виде сигналов – физических процессов, несущих информацию.
Обыкновенные (несамонастраивающиеся) системы автоматического управления – системы, требующие для построения и функционирования наибольшей (полной) начальной информации.
Самонастраивающиеся системы автоматического управления – системы, не требующие для своего построения и функционирования полной начальной информации об управляемом процессе.
Перед самонастраивающимися (адаптивными) системами ставятся следующие задачи:
Поддержание режима, близкого к оптимальному (наилучшему) – автоматические оптимизаторы или экстремальные регуляторы.
Поддержание оптимальной работы системы по условию максимального быстродействия.
При этом различают:
Системы с самонастройкой программы (экстремальные системы).
Системы с самонастройкой параметров (собственно самонастраивающиеся системы).
Системы с самонастройкой структуры (самоорганизующиеся системы).

Сложные задачи управления операциями над многими объектами можно трактовать как задачи автоматического проведения некоторой игры. Действия сторон могут быть частично случайными, частично подчинёнными некоторым правилам – алгоритмам.
Игра состоит из ряда последовательных этапов- шагов.
Основной особенностью принципа действия игровых систем является формирование команд управления на основе сопоставления множества возможных решений – выборов на каждом этапе управляемой операции. Критерием сопоставления различных возможных решений-выборов служит некоторый показатель, именуемый функцией выгоды.






Классификация систем автоматического регулирования по виду оператора
системы.

Математическая модель системы управления это пара "оператор системы и модель внешних воздействий". Оператором системы называется закон, в соответствии с которым система преобразует внешнее (входное) воздействие g в выходной сигнал х (рис. В.4).
Оператор системы. Функция, которая любому значению аргумента x ставит в соответствие некоторый элемент y множества Y, не являющегося множеством чисел, называется оператором. Под понятием оператора объединяются любые математические действия: все алгебраические действия, дифференцирование, интегрирование, сдвиг во времени, решение дифференциальных, интегральных, алгебраических и любых других функциональных уравнений, а также любые логические действия. Задать оператор системы – это значит задать совокупность (программу) действий, которые надо осуществить над входной функцией, чтобы получить выходную функцию.




Рис. В.4

По виду оператора системы управления делятся на:
а) линейные и нелинейные;
б) непрерывные, дискретные, непрерывно-дискретные;
в) нестационарные и стационарные;
г) детерминированные и стохастические;
д) одномерные и многомерные;
е) с сосредоточенными и с распределенными параметрами.
Внешние воздействия делятся на:
а) непрерывные (функции непрерывного аргумента) и дискретные (функции дискретного аргумента);
б) детерминированные и случайные;
в) одномерные и многомерные.
Чтобы классифицировать конкретную систему, нужно указать на шесть классов, к которым принадлежит оператор системы, и на три класса, к которым принадлежат внешние воздействия. Например, она может оказаться линейной непрерывно-дискретной нестационарной детерминированной одномерной с сосредоточенными параметрами при непрерывных случайных одномерных внешних воздействиях.
Поясним названия классов операторов на примере описания систем дифференциальными или разностными уравнениями. Линейные системы описываются линейными дифференциальными уравнениями, нелинейные нелинейными дифференциальными уравнениями. Непрерывные системы описываются дифференциальными уравнениями; дискретные разностными; непрерывно-дискретные дифференциально-разностными уравнениями. Нестационарные системы описываются уравнениями с переменными коэффициентами, стационарные уравнениями с постоянными коэффициентами. Детерминированные системы описываются уравнениями, коэффициенты которых являются детерминированными величинами или функциями времени, стохастические стохастическими уравнениями. Одномерные системы имеют один вход и один выход, многомерные системы имеют суммарное число входов и выходов, большее двух. Наконец, системы с сосредоточенными параметрами описываются обыкновенными дифференциальными уравнениями, с распределенными параметрами уравнениями в частных производных.

3. Основные принципы математического описания динамики объектов и систем.

Известны следующие формы математического описания непрерывных систем: дифференциальными уравнениями, переходными функциями, интегральными и спектральными преобразованиями, а также две формы описания дискретных систем: разностными уравнениями и Z-преобразованием.

Линеаризация уравнений движения.

Работу любой автоматической системы в установившемся и переходном режиме можно описать, использовав дифференциальные уравнения, которые применимы для описания многих явлений природы и, в частности, процессов преобразования и передачи массы или энергии

У реальных элементов и систем связь между входными и выходными величинами, как правило, нелинейная, общее уравнение системы оказывается нелинейным, а аналитическое решение нелинейных уравнений возможно только в редких частных случаях. Поэтому полученные нелинейные уравнения элементов системы необходимо линеаризовать.
Линеаризация уравнений это замена точного нелинейного уравнения приближенным линейным. Например, алгебраическое нелинейное уравнение

можно заменить приближенным линейным уравнением

Отметим, что уравнение (17) записано в отклонениях, а не в абсолютных значениях переменных величин.
Основным допущением, на котором базируется линеаризация, является предположение, что независимая переменная изменяется в небольших пределах. Оценим аналитически, какими же должны быть эти пределы. Функцию у в уравнении типа (16) можно разложить в ряд Маклорена в окрестностях точки
Так как величина малая, то все слагаемые в формуле (18), кроме первого и второго, будут иметь высшие порядки малости, и ими можно пренебречь. Поскольку величина постоянная, то в результате получим линейное уравнение

где Д0 = у у0.
Уравнение (19) является приближенным по отношению к уравнению (18), так как мы пренебрегли слагаемыми высших порядков малости. При этом чем меньше отклонение переменных от их установившихся значений, тем меньше ошибка при замене нелинейного уравнения линейным.
Действительно, из рис. 55 и уравнения (19) следует, что линеаризация уравнения (16) соответствует замене точной кривой у = х2 прямой, касательной в точке линеаризации А,
В тех случаях, когда функция зависит от нескольких переменных, в качестве коэффициентов линейного уравнения будут стоять не простые, а частные производные.





















1.3. МОДЕЛИ ТИПА «ВХОД-ВЫХОД»
Математические модели (1.1), (1.2) описывают взаимосвязи между переменными состояния системы, поэтому их называют внутренними. Модели, отражающие зависимость между входными и выходными сигналами системы, называют внешними.
Пусть рассматривается линейная система с одним входом и одним выходом, процессы в которой описываются неоднородным линейным дифференциальным уравнением л-го порядка
(1.7)

где u(t), u(q)(t) входной сигнал системы и q = 1, т его производных; y(t), ym(t) выходной сигнал системы и к = 1, п его производных.
Применив к этому уравнению оператор дифференцирования Коши D = d/d/, получим операторное представление уравнения системы:

Запишем это представление в иной форме у = B(D)/A(D)u, где обозначено

Выражение H(D) B(D)/A(D) называют операторной передаточной функцией системы, а уравнение
y(t) = H(D)u(t) (1.8)
операторной или внешней моделью системы.
Полином A(D) называют характеристическим многочленом системы, его корни полюсами или характеристическими числами системы, а корни полинома B(D) нулями системы.
Представление внешней модели в частотной области позволяет осуществить преобразование Лапласа. Пусть лапласовы преобразования входного и выходного сигналов:

, тогда моделью системы оказывается выражение
Y(s) = H{s)U{s), (1.9)
полученное преобразованием уравнения (1.7) при нулевых начальных условиях.
Выражение H(s) называют передаточной функцией системы.

В теории автоматического управления широко применяется операторная (символическая) форма записи дифференциальных уравнений. В операторной форме дифференциальные уравнения приобретают более простой вид, уменьшается объем записи, а при исследовании САУ во многих случаях сокращаются промежуточные математические преобразования.

Функции независимой переменной (обычно t)- x (t), y (t) в дифференциальных уравнениях заменяются их изображениями по Лапласу.






В изображениях по Лапласу операция дифференцирования обозначается следующим образом:

а интегрирования – обратной величиной:




Метод преобразования Лапласа применяется для упрощения решения систем линейных интегро-дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами. Прямое преобразование заданной системы уравнений приводит к более простым уравнениям, которые являются уже не интегро-дифференциальными, а алгебраическими уравнениями. Эта более простая система уравнений решается относительно изображения искомой функции, по которому затем отыскивается искомое решение заданной системы уравнений с помощью обратного преобразования Лапласа. Оба преобразования, прямое и обратное, на практике выполняются с помощью соответствующих таблиц.


то при нулевых начальных условиях это уравнение в операторной форме запишется так:



Передаточной функцией (в форме преобразований Лапласа) называется отношение изображения выходной величины к изображению входной величины при нулевых начальных условиях.
При P=0 передаточная функция превращается в коэффициент усиления.

k= 13 EMBED Equation.3 1415=13 EMBED Equation.3 1415








































Тема V: Описание систем с помощью динамических характеристик и
интегральных преобразований.

1. Динамические характеристики линейных звеньев и систем.
- временные характеристики
- частотные характеристики
2. Типовые динамические звенья и их характеристики.
3. Способы соединения звеньев системы
4. Способы преобразования структурных схем.
5. Порядок составления дифференциального уравнения
системы



1. Динамические характеристики линейных звеньев и систем.

Динамической характеристикой системы называют ее реакцию на специальное входное возмущение. Такими специальными типовыми сигналами являются:
импульсная дельта-функция {функция Дирака)

единичный скачок (функция Хевисайда)

линейное воздействие

гармоническое воздействие


·5800

Для оценки динамических свойств звеньев используют временные и частотные характеристики, К временным характеристикам звеньев относятся их переходные функции. Переходная функция звена h(t) определяет его реакцию на единичную ступенчатую функцию x вх=1(t) (рис. 2.1, а) и характеризует переход звена от одного установившегося состояния к другому (рис. 2.1,6). Выражение функции h(t) можно получить посредством решения дифференциального уравнения, которым описывается динамика данного звена при хъх=1(t) и нулевых начальных условиях.
За единичную ступенчатую функцию принимают скачкообразное воздействие с величиной скачка, равной единице при t>0:

Ступенчатый сигнал весьма распространенный вид входного воздействия в САУ, например мгновенный поворот задающей оси следящего привода, мгновенное изменение момента нагрузки электропривода и т. д.-

Другим также распространенным видом входного воздействия в САУ является единичная импульсная входная функция или дельта-функция, представляющая собой производную единичной ступенчатой функции:


Дельта-функции свойственна тождественность нулю повсюду, кроме точки t=0, в которой она стремится к бесконечности {рис. 2.2, а), т. е.

Площадь дельта-функции равна единице, т. е. . Примером импульсного воздействия может быть кратковременный ток короткого замыкания генератора, который отключается плавкими предохранителями, кратковременный удар нагрузки на валу электродвигателя и т.д.


и наоборот

Учитывая это простое соотношение между переходной и весовой функциями, в дальнейшем будем использовать в основном первую из них, имея в виду, что вторую всегда можно получить из выражения (2.5) .
Через скачок или импульс можно выразить непрерывные сигналы любой формы, представив их в виде суммы скачков или импульсов определённой интенсивности, подаваемых в определённые моменты времени или через равные промежутки времени. Найдя реакцию системы на каждый скачок (импульс) и просуммировав результат, получим реакцию системы на суммарный входной сигнал.

Пусть сигнал представлен некоторой функцией времени х (t).
Используя интеграл Дюамеля в различной форме, данный сигнал можно
представить совокупностью единичных скачков

при а -> 0 или совокупностью единичных импульсов

Если входной сигнал задан функцией времени x (t). то сигнал на выходе звена может быть получен с помощью переходной или весовой функции.
Разлагая х (0 на совокупность единичных скачков 1Р'(t т) по формуле (ЗЛ) и находя реакцию звена на каждый из скачков, определяем

Аналогично, разлагая x (t} на совокупность единичных импульсов б (t т) по формуле (3,2) и находя реакцию звена на каждый из импульсов, получаем

Таким образом, рассмотренные характеристики звеньев дают возможность рассчитать сигнал на выходе звена, если известен сигнал на его входе при нулевых начальных условиях*
Рассмотрим частотную функцию, которая является важнейшей характеристикой динамического звена.

Частотные динамические характеристики.




Получим частотную передаточную функцию в виде






Для наглядного представления частотных свойств динамических звеньев используются так называемые частотные характеристики: во-первых, амплитудная частотная характеристика (АЧХ), которая определяет зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты колебаний при постоянстве амплитуды входного сигнала (рис. 2.3, а) ; во-вторых, фазовая частотная характеристика (ФЧХ), показывающая фазовые сдвиги, вносимые звеном на разных частотах (рис. 2.3, б) ; в-третьих, амплитудно-фазовая частотная характеристика '(АФЧХ), которая объединяет амплитудную и фазовую частотные характеристики при использовании их в качестве полярных координат (рис. 2.3, в), Каждая точка АФЧХ соответствует определенному значению частоты
·. Эту характеристику можно построить и в прямоугольной системе координат в комплексной плоскости. При этом координатами будут показанные на рис. 2.3, в проекции Р и Q вектора А на соответствующие оси.
Иногда строятся также вещественная Р() и мнимая Р(со) частотные характеристики (рис. 2.4).
Согласно формулам (2.6) и (2.7) связь между названными частотными характеристиками определяется следующими выражениями:





При исследовании САУ амплитудную и фазовую частотные характеристики удобно строить в логарифмических координатах. Это даёт возможность очень просто построить логарифмические частотные характеристики (ЛЧХ) даже для сложных устройств. Прологарифмируем выражение частотной передаточной функции (2.6)
Ln W(j
·) = ln A(
·)+j
·(
·)
Из этого выражения видно, что член ln A(
·) определяет логарифмическую амплитудную частотную характеристику (ЛАХ), а
· (
·) – логарифмическую фазовую частотную характеристику (ЛФК).
Построение ЛАЧХ и ЛФЧХ систем и звеньев производится в прямоугольной системе координат. Координатные оси представляются в виде шкал, позволяющих произвести разметку осей в определенных единицах измерения. Подготовку системы координат для построения ЛЧХ рассмотрим подробнее.
Ось абсцисс
Ось абсцисс называется осью частот. На ней откладываются десятичные логарифмы частоты и значения самой частоты в логарифмическом масштабе. В отношении ln
· шкала частот получается линейной, а в отношении частоты
· логарифмической. Основными единицами измерения по оси частот являются декада и октава.
Декадой называется интервал частот, различающихся между собой в 10 раз.
Октавой называется интервал частот, различающихся между собой в 2 раза.
На шкале частот, построенной в логарифмическом масштабе, длина отрезка, представляющего декаду (октаву), остается одной и той же на любом участке оси частот.
Масштаб декады выбирается с точки зрения удобства построения и допустимой относительной погрешности построения. Общепринятым является масштаб
т = 50 мм. (3.5.5)
Расчетные данные для изготовления линейки-шаблона с этим масштабом приведены в табл. 3.5.1. После того, как построена одна декада, остальные декады на шкале частот получаются простым ее повторением.
Таблица 3.5.1

·

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10


lg
·

0

0,3

0,48

0,6

0,7

0,78

0,85

0,9

0,95

1


l

0

15

24

30

35

39

42,5

45

47,5

50


Логарифмическая шкала на оси частот не имеет точки с отметкой
· = 0(1^0 = °°). Это позволяет ось ординат проводить через начало любой декады (октавы), что весьма удобно при построении ЛЧХ.
Ось ординат
Эта ось называется осью усиления. При построении ЛАЧХ системы или звена за единицу измерения по оси ординат принимается децибел, при построении ЛФЧХ градус, при этом применяются следующие масштабы:
I дб = 2 мм, 1 Г = 1 мм. (3.5.6)
С соблюдением этих масштабов и производится разметка оси усиления в указанных единицах измерения.
Децибел логарифмическая единица для оценки отношения двух величин- Значение какой-либо положительной величины в децибелах численно равно десятичному логарифму этой величины, увеличенному в 20 раз. Например, значение общего коэффициента усиления системы K в децибелах определится по формуле
Кдб = 20 lg K (3.5,7)
Типовая логарифмическая сетка для построения ЛАЧХ и ЛФЧХ с масштабами (3.5.5) и (3.5.6) по осям координат изображена на рис. 3.5.1.



Основные характеристики звеньев и систем.

При синтезе и анализе САУ ее расчленяют на типовые звенья, которые различаются динамическими свойствами.
Характеристики типовых звеньев.
За типовые звенья, по-видимому, целесообразно принять такие, которые могут служить основой для построения любых других звеньев, встречающихся на практике. Обычно за основу принимают звено, обладающее одной степенью свободы. Математические процессы в таком звене описываются дифференциальным уравнением не выше второго порядка

В основу классификации звеньев кладётся вид дифференциального уравнения, которым могут описываться весьма разнообразные свойства как по своей функции, так и по своему конструктивному исполнению.
Если принять это уравнение за исходное, то легко вывести уравнения различных типовых звеньев.
Типовые звенья являются звеньями направленного действия: сигналы передаются звеном в одном направлении со входа на выход.
Типовые звенья подразделяют на пропорциональные (усилительные), апериодические (инерционные), колебательные, интегрирующие, дифференцирующие и форсирующие. Несколько обособленно в этой классификации стоит запаздывающее звено.

Дифференциальные уравнения и основные характеристики типовых звеньев, рассмотренные далее, приведены в табл. 1.









Из рассмотренных типовых звеньев элементарными являются пропорциональное, интегрирующее и дифференцирующее. Все другие звенья можно сформировать из элементарных путем соответствующего соединения их между собой.
Звенья, у которых переходная функция со временем затухает, называются устойчивыми. Типовые звенья всегда устойчивы. Их действие описывается линейными дифференциальными уравнениями с положительными коэффициентами. Исключение составляет интегрирующее звено, которое исходя из условий устойчивости, называют нейтральным. В неустойчивых: звеньях переходный процесс является расходящимся. Действие этих звеньев описывается линейными дифференциальными уравнениями с отрицательными коэффициентами.

Следует заметить, что в зависимости от сигналов, приняты за входной и выходной, а также от принятых при составлении дифференциальных уравнений допущений один и тот же элемент САУ можно описать разными уравнениями, а значит, отобразить различными типовыми звеньями. Например, если для электродвигателя постоянного тока (рис. 2.14) за входной сигнал принято напряжение на якоре ия {иво3(> напряжение возбуждения двигателя), а за выходной угол поворота а выходного вала и если такой электродвигатель считать безынерционным, то он будет отображен интегрирующим звеном:

Если для этого же электродвигателя за выходной сигнал принять скорость вращения Q = a, то он будет уже представлен безынерционным (пропорциональным) звеном:

Если же при тех же входных и выходных сигналах учесть инерционность электродвигателя, то он должен быть отображен либо двумя последовательно включенными звеньями интегрирующим и апериодическим:

либо одним апериодическим звеном:




В зависимости от сложности дифференциального уравнения элемента САУ последний может быть представлен одним или несколькими типовыми звеньями, определенным образом соединенными между собой.


Способы соединения звеньев системы.

При исследовании САУ её можно разбить на комбинацию динамических звеньев с определёнными передаточными функциями.
В системах автоматического управления используются следующие соединения динамических звеньев: последовательное, параллельное и соединение с обратной связью (встречнопараллельное).


При определении скалярных функций сложных систем их можно выражать через передаточные функции звеньев, из которых состоит система. Для этого необходимо знать правила определения передаточных функций последовательных и параллельных соединений, а также соединений с обратной связью.
При последовательном соединении звеньев структура аналогична изображенной на рис. 1.4, а, только теперь сигналы и передаточные функции являются скалярами:
W (s) = Y2 (s)/t/, (s) = W{ (s) W2 (s) = W2 (s) Wx (s).
При параллельном соединении (рис. 1.4,6)
W(s) = Y (s)/t/, (s) = W, (s) + W2 (s).
Для соединения с обратной связью (рис. 1.4, в)
W (s) = У, (s)/G (s) = Wx (s)/\ 1 ± Wi (s) W2 (s)].
Знак плюс в знаменателе соответствует отрицательной обратной связи, знак минус положительной.

Способы преобразования структурных схем

Один из способов определения передаточных функций системы состоит в следующем: сложное соединение с помощью структурных преобразований приводят к одной из рассмотренных простейших схем и затем вычисляют общую передаточную функцию.
В большинстве случаев САУ можно привести к последовательному соединению типовых звеньев, образующих замкнутую цепь. Такие САУ называются одноконтурными. Другие САУ приводятся к комбинации последовательно и параллельно соединённых звеньев и называются многоконтурными.
Правила эквивалентных структурных преобразований. Исследование автоматических систем по одноконтурным схемам проще, чем по многоконтурным. Поэтому многоконтурные схемы преобразуются к одноконтурным. Преобразование схем связано с заменой отдельных блоков более простыми, перестановкой узлов и сумматоров через звенья по ходу и против хода сигналов, с их взаимной перестановкой. Однако при любых преобразованиях структурных схем свойств систем должны сохраняться.









Рассмотрим пример преобразования структурной схемы САУ, в которой устраняются перекрещивающиеся прямые и обратные связи (рис. 2.13, а).
Преобразование начинается с переноса назад входа нижней параллельной ветви и переноса вперед выхода ветви обратной связи (рис. 2.13, Г, Далее объединяются в одно звено цепи, параллельные звеньям №i(p), W2{p W3(p), WA(p), и в другое звено ветвь звена №5(р) с цепью обратной связи. После этого может быть написано выражение общей передаточной функции САУ, приведенной к одному эквивалентному звену (рис. 2.13, в).

Порядок составления дифференциального уравнения системы.
Прежде чем составлять дифференциальное уравнение системы, необходимо разобраться в принципе ее действия и на основании этого
-составить функциональную структурную схему системы, т. е. представить систему в виде взаимно связанных элементов, каждый из которых выполняет свою функцию.
- для каждого элемента системы следует составить дифференциальное уравнение динамики, связывающее выходную величину со входными*. -Количество таких уравнений должно равняться числу зависимых переменных, что является необходимым (но недостаточным) признаком правильности составления уравнений.
-исключив промежуточные переменные (из-за связи между элементами системы выходная величина одного из них является входной величиной другого или нескольких других), можно, наконец, получить одно дифференциальное уравнение, в котором независимыми переменными являются внешние воздействия и время, а зависимой переменной управляемая величина или ошибка системы.

Уравнения динамики принято записывать таким образом, чтобы выходная величина и все её производные находились в левой части уравнения, а входные величины и их производные – в правой части уравнения.
Уравнение динамики считается написанным в нормальной форме, если выходная величина элемента входит в преобразованное уравнение с коэффициентом, равным единице.
Зная передаточные функции элементов САУ, можно получить передаточную функцию, а по ней частотные и временные характеристики всей системы.






















Тема V: Устойчивость автоматических систем регулирования (АСР)

1. Понятие устойчивости линейных систем.
2. Теоремы Ляпунова
2. Критерии устойчивости
- алгебраические
- частотные
3. Структурная устойчивость



2.2. УСТОЙЧИВОСТЬ
ЛИНЕЙНЫХ СИСТЕМ
Любая САУ характеризуется переходным процессом, который возникает в ней при нарушении состояния равновесия вследствие какого-либо воздействия. Переходный процесс х(t) зависит как от свойств системы, так и от вида возмущающего воздействия. В переходном процессе различают две составляющие:

первая из них выражает вынужденные движения, определяемые возмущающим воздействием и свойствами системы; вторая свободные движения системы, определяемые начальными условиями и свойствами самой системы.
Основной динамической характеристикой САУ является ее устойчивость. Под устойчивостью понимается свойство системы возвращаться к состоянию установившегося равновесия после устранения возмущения, которое вывело ее из этого состояния. Физическую трактовку понятия устойчивости можно пояснить следующим примером. Если шар помещен в верхнюю точку возвышенности (рис. 2.17, я), то система неустойчива, поскольку при малейшем отклонении шара от начального положения он скатится по склону поверхности и не возвратится в исходное положение. Если же шар помещен во впадине (рис 2.17,6), то система устойчива: после отклонения шар обязательно возвратится к первоначальному положению. В обеих ситуациях устойчивость и неустойчивость системы не зависят от величины начальных отклонений шара. Однако возможны случаи, когда система при малых отклонениях будет устойчива, а при большихнеустойчива, например, если шар находится во впадине, а впадина расположена на вершине выпуклой поверхности (рис. 2.17,0). Принято считать, что такая систем; устойчива в малом и неустойчива в большом, поскольку устойчивость связана с величиной начального отклонения.

Система автоматического управления будет устойчива, если в переходном процессе свободная составляющая с течением времени стремится к нулю, т. е. если . При невыполнении этого условия САУ считается неустойчивой.
Свободное движение системы определяется однородным дифференциальным уравнением

Здесь хсв свободное движение системы, которое определяет динамическую ошибку; а0, аь .. ., ап постоянные коэффициенты, которые определяются параметрами системы. Уравнение (2.22) имеет решение в виде

где Сь С2, . . ., Сп постоянные интегрирования, определяемые из начальных условий; рь р2, . .., рп корни характеристического уравнения системы
(2.24] полученного на основании дифференциального уравнения (2.22).
Если для разомкнутой САУ известна передаточная функция W(P), то для замкнутой системы передаточная функция будет иметь вид
Ф(Р) = W(P)/(1+ W(P))
Откуда, приравни -




В большинстве случаев для нормальной работы САУ запас устойчивости по фазе составляет около 30°- 60°, а за. по амплитуде(6-20) дБ. При оценке устойчивости может считаться достаточным, если отрезок характеристики, пересекающей ось частот с наклоном 20 дБ на декаду, охватывает область частот не менее 0,75 декады.
Исследование устойчивости многоконтурных систем. Большинство реальных САУ имеют не один, а несколько контуров обратной связи, которые улучшают динамические свойства систем. Система, таким образом, становится многоконтурной Управление несколькими параметрами также может быть реализовано многоконтурными системами. Кроме того, с многоконтурными системами сталкиваются при проектировании сложных САУ, состоящих из нескольких взаимодействующих друг с другом следящих систем и систем стабилизации. Анализ устойчивости многоконтурных САУ обычно сложнее, одноконтурных. Одна из основных причин этого то, что передаточные функции многоконтурных САУ с разомкнутой главной обратной связью не являются произведением простых множителей.
Весьма часто многоконтурные САУ можно упростить, преобразовав их структурные схемы с помощью приемов, рассмотренных ранее. В этом случае исследование устойчивости можно произвести упомянутыми методами. Однако более o6щий метод исследования устойчивости многоконтурной САУ основан на том, что сначала система анализируется известными методами в полностью разомкнутом состоянии, а затем при последовательном включении каждой из обратных связей, имеющихся в системе.
Необходимо подчеркнуть, что возможны случаи, при которых САУ, устойчивая в своем окончательном рабочем состоянии, может быть неустойчивой, если некоторые из её внутренних обратных связей разомкнуты.
Структурная устойчивость.
Иногда оценить устойчивость САУ можно по ее структуре. Это исключает необходимость составления и решения характеристического уравнения системы. Если система имеет структуру, при которой невозможно обеспечить устойчивость ни каких значениях параметров ее элементов, то она называется структурно-неустойчивой. Примером таких систем могут служить системы, которые имеют два интегрирующих звена.
Предположим, что система, состоящая из одного aпериодического и двух интегрирующих звеньев, имеет передаточную функцию

а характеристическое уравнение замкнутой системы
Tp3+p2+k=0

Для этого уравнения необходимое условие устойчивости не выполняется ни при каких значениях параметров T и k, следовательно, система будет структурно-неустойчивой.
Структурно-неустойчивую систему можно превратить в устойчивую, только лишь изменив ее структуру, т. е. введением отрицательных обратных связей. Следовательно, в ряде случаев при анализе и синтезе САУ можно заранее отбросить варианты со структурно-неустойчивыми системами. Это особенно существенно при проектировании сложных САУ.







































Тема VI: Исследование качества линейных систем.

1. Показатели качества работы САУ.
2. Точность работы системы в установившихся режимах.
- Статические и астатические системы.
- Передаточная функция ошибки
- Установившиеся ошибки.
- Ошибки от задающих воздействий
- Максимальная ошибка при гармоническом входном сигнале.
3. Показатели качества переходного процесса.
4. Определение показателей качества по логарифмическим частотным
характеристикам.
5. Интегральные оценки качества переходных процессов.

Показатели качества работы систем.

Устойчивость САУ является необходимым, но недостаточным условием её
пригодности. В конечном результате качество САУ определяется точностью её работы в реальных условиях. Точность работы однозначно оценивается величиной ошибки, равной разности между требуемым и действительным значением управляемого сигнала.
x(t) = g(t) - y(t)
Однако мгновенные значения ошибки не могут быть определены при проектировании. так как во время работы САУ входной сигнал и возмущающие воздействия могут изменяться времени случайным, неизвестным заранее образом. Поэтому качество работы САУ приходится оценивать с помощью косвенных показателей (критериев качества), которые характеризуют процесс управления раздельно в установившемся и переходном типовых режимах. В настоящее время для исследования качества линейных САУ применяют следующие основные косвенные критерии;
1) алгебраические критерии, основанные на знании распределения корней характеристического уравнения;
2) интегральные критерии, основанные на интегральных характеристиках;
3) частотные критерии, основанные на частотных характеристиках.
Широкое распространение получили частотные методы, поскольку с их помощью сравнительно просто и без излишне громоздких вычислений можно исследовать работу большинства реальных САУ.

Точность работы системы в установившихся режимах.

СТАТИЧЕСКИЕ И АСТАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
· Кроме задающего воздействия, к разным точкам автоматической системы обычно приложены возмущающие воздействия, от характера и точек приложения которых зависят ошибки системы. Одна и та же система может быть по отноше


Передаточная функция ошибки.


Установившиеся ошибки.

























Максимальная ошибка при гармоническом входном сигнале.





Определение показателей качества переходного процесса по логарифмическим частотным характеристикам.


































Тема VII: Основы синтеза автоматических систем регулирования.

1. Определение и задачи синтеза САУ.
2. Синтез последовательных корректирующих устройств методом
Солодовникова.






















































Тема: Математическое описание технологического объекта управления (ТОУ)



1. Структурная схема энергетического канала САУ.

Специфичность систем автоматического регулирования теплоэнергетических установок определяется в основном свойствами и особенностями регулируемого объекта 1.
Под регулируемым объектом в данном случае понимается теплоэнергетическая установка, технологический процесс которой завершается выработкой соответствующего вида энергии. Количественные и качественные показатели энергии обеспечиваются за счет поддержания ее определяющих параметров на заданном уровне, т. е. за счет поддержания работы теплоэнергетической установки на заданном режиме.
С точки зрения теории автоматического регулирования объектом называется элемент, выходная величина которого является регулируемым параметром (величиной) системы автоматического регулирования. Условия работы теплоэнергетической установки, лежащие в основе организации и функционирования системы автоматического регулирования, задаются потребителем. Например, если технологический процесс завершается выработкой электрической энергии, то удовлетворение качественных показателей этого вида энергии обеспечивается постоянством напряжения и частоты переменного тока. Так как частота зависит от угловой скорости, то регулирование по частоте сводится к поддержанию значения угловой скорости на заданном уровне.

Уравнения движения элементов системы автоматического регулирования являются справедливыми только в том случае, когда их составлении выполняется требование энергетического баланса или баланса вещества.
От источника питания в регулируемый объект поступает энергия (масса), которая в регулируемом объекте преобразуется и в виде, удобном для использования, подается потребителю. Поступление энергии или массы в объект можно изменять перестановкой регулирующего органа РО (рис. 2). Если приход энергии в регулируемый объект равен ее отдаче потребителю, то система находится в равновесии (работает на равновесном режиме), а регулируемая величина сохраняет постоянное значение во времени. Например, при уменьшении потребителем расхода энергии в регулируемом объекте накапливается энергия, это приводит к изменению регулируемой величины. Для восстановления равновесия необходимо либо изменить приток энергии перестановкой регулирующего органа, либо изменить ее расход.



2. Задачи статического и динамического анализа САУ.

Анализ работы системы автоматического регулирования и анализ работы ее элементов выполняется для двух возможных состояний: статического и динамического.
Уравнение статики элемента устанавливает зависимость выходной координаты от входных координат, представляющих собой внешние по отношению к элементу возмущения. Уравнение статики позволяет определить связь между выходной координатой и конкретным внешним возмущением при различных равновесных режимах работы.
При статическом анализе системы автоматического регулирования изучают условия обеспечения равновесных (установившихся) состояний, а также выявляют статическую характеристику. Такой анализ позволяет оценить статическую ошибку в поддержании заданного значения регулируемого параметра (степень неравномерности). Выполнение условий работы системы по заданной степени неравномерности и выбору диапазона регулируемых режимов проверяется статическим расчетом. При известном регулируемом объекте статический расчет сопровождается определением параметров элементов автоматического регулятора, которые определяют его конструктивные показатели, обеспечивающие заданную неравномерность и диапазон работы.
Динамический анализ системы автоматического регулирования связан с исследованием ее поведения при нарушении равновесного режима. Предметом исследования в этом случае является процесс изменения регулируемого параметра во времени так называемый переходный процесс cp = cp (t); X = X (t) или т) = ц (t). Нарушение равновесного режима может сопровождаться возвращением системы в исходное состояние, переходом ее в новое равновесное состояние, характеризуемое новым значением регулируемого параметра (в статических системах), или непрерывным удалением от первоначального состояния. В первом и втором случаях система является устойчивой, в третьем неустойчивой. Поэтому первой задачей динамического анализа работы систем автоматическо го регулирования является оценка системы с точки зрения устойчивости. Вторая задача динамического анализа связана с выявлением качественных показателей переходного процесса (время переходного процесса, максимальное отклонение регулируемой величины от заданного значения, колебательность процесса и т. п.). Третьей задачей анализа является определение влияния параметров элементов, образующих систему автоматического регулирования, на устойчивость и на качественные показатели переходного процесса.

Уравнения движения элементов системы автоматического регулирования, базирующиеся на основе тех же зависимостей (4)(6), являются линейными дифференциальными уравнениями. Линеаризация связей в элементах системы, обеспечивающая получение линейных дифференциальных уравнений собственно системы, это основной метод, упрощающий в допустимых пределах решение задач устойчивости и качества переходных процессов.
Нахождение дифференциальных уравнений элементов является основой для получения дифференциального уравнения системы автоматического регулирования. Решение дифференциального уравнения системы регулирования позволяет найти изменение регулируемой величины во времени, т. е. переходный процесс. Знание переходного процесса дает наиболее полное представление о работе системы автоматического регулирования.
Дифференциальные уравнения движения элементов и систем автоматического регулирования записываются в форме, при которой левая часть уравнения содержит выходную величину и ее производные, а правая часть соответствующие входные возмущения.

3. Классификация объектов тепловой энергетики
по параметру регулирования и их математическое описание.

Если в основу классификации положить параметр регулирования, то объекты регулирования тепловой энергетики можно подразделить на несколько групп, каждая из которых, в качестве регулируемого параметра соответственно имеет угловую скорость вращения ротора, давление газа или пара в ресивере, уровень жидкости в резервуаре, температуру в камере и т.д.
Каждая из этих групп регулируемых объектов описывается однотипными уравнениями движения.
Первая группа. Равновесный режим работы объектов, отнесенных к данной группе, обеспечивается равенством крутящего момента Мд0, вырабатываемого машиной на равновесном режиме моменту Мс0 потребителя (сопротивления) на этом же режиме!
Уравнение равновесного состояния (уравнение статики) таких объектов имеет вид
Мд0 = Мс0. (34)
Нарушение равновесного состояния, например в связи с изменением нагрузки, приводит к появлению разницы в значениях крутящих моментов машины и потребителя. Отклонение объекта от равновесного состояния вследствие изменения указанных моментов отражается в уравнении динамики объекта. Разница моментов расходуется на ускоренное или замедленное вращение ротора, поэтому

где J приведенный момент инерции ротора объекта,
принимаемый постоянным; (Ј> угловая скорость (выходная координата объекта); Мд и Мс измененные значения моментов двигателя и потребителя.
Вторая группа. Объекты, относящиеся ко второй группе, представляют собой ресивер определенного объема с коммуникациями подвода и отвода газа.
Уравнение статики таких объектов получает вид


Четвертая группа. Регулируемым объектом этой группы может быть камера, в которой необходимо поддерживать заданное значение температуры. Условие равновесного состояния объекта (уравнение статики) равенство (на равновесном режиме) подводимого и отводимого тепла

Если равновесное состояние нарушено, то уравнение динамики позволяет определить количество тепла, аккумулируемое в данной камере:

где ск теплоемкость камеры в ккал/град.

Приведенные выше уравнения динамики регулируемых объектов однотипны и легко подчиняются обобщенной энергетической форме:

где аккумулируемая в данном объекте энергия;
В постоянная объекта; у регулируемый параметр; Ег и E2 подводимая и отводимая энергии.

4. Общий вид экспериментальных переходных кривых теплоэнергетических
процессов.

Особенностью реального управления многими инерционными
технологическими процессами, такими как процесс регулирования давления, расхода, уровня, температуры, является апериодичность переходных характеристик.
Увеличение количества емкостей, составляющих регулируемый объект, приводит, очевидно, к соответствующему увеличению порядка дифференциального уравнения, описывающего процесс разгона для регулируемой величины в последней из емкостей при возмущении на входе в объект
Переходный процесс многоемкостного теплового регулируемого объекта за редким исключением описывается дифференциальными уравнениями, характеристические уравнения которых имеют лишь действительные корни. Поэтому процессы разгона в них протекают апериодически, а их кривые разгона являются суммами экспонент (рис. III. 8, кривые 2, 3, 4) и имеют характерную «S-образную» форму. Чем больше составляющих емкостей имеет регулируемый объект при прочих равных условиях, тем более полого идет кривая разгона в начале процесса и тем длительнее его течение (кривые 3 и 4 рис. III. 8). При отсутствии самовыравнивания в регулируемом объекте форма кривых разгона будет несколько иной (рис./III. 9). В этом случае любая из кривых будет уходить в бесконечность, становясь, при достаточном удалении от начала процесса, прямолинейной.



Рис. III. 8. Характеристики разгона многоемкостных объектов при наличии самовыравнивания. Цифры на рисунке соответствуют числу емкостей объекта


Рис. III. 9. Характеристики разгона многоемкостных объектов в отсутствии самовыравнивания. Цифры на рисунке соответствуют числу емкостей объекта

Общий вид экспериментальных переходных кривых таких процессов характеризуется тремя основами параметрами: Т, г, V постоянной времени, временем отставания и скоростью нарастания соответственно, а простейшей обобщенной моделью является модель-




Если к кривой разгона многоемкостного объекта (рис. III. 12) провести касательную в точке ее перегиба (или в бесконечности в случае отсутствия самовыравнивания рис. III. 13), то эта касательная отсечет на оси времени некоторый отрезок, обозначаемый те и называемый емкостным запаздыванием. Из кривых рис. III. 8, III. 9 легко видеть, что емкостное запаздывание при прочих равных условиях тем больше, чем большее число емкостей составляет регулируемый объект. В точке перегиба (или в бесконечности для объектов, лишенных самовыравнивания) скорость изменения регулируемой величины является наибольшей. Следовательно, в соответствии с определением скорости разгона, данной в § 1 и 3, скорость разгона многоемкостного регулируемого объекта может быть определена по углу а наклона касательной в точке перегиба к кривой разгона.
Конечное отклонение регулируемой величины ок определяется степенью самовыравнивания регулируемого объекта и равна ее обратной величине при единичном ступенчатом возмущении. Таким образом, течение процесса разгона многоемкостного регулируемого объекта, а, следовательно, и его кривая разгона приближенно характеризуются тремя величинами скоростью разгона е, степенью самовыравнивания q и величиной времени емкостного запаздывания те.
В очень большом числе случаев в тепловых регулируемых объектах имеет место так называемое чистое или транспортное запаздывание т0. Оно обусловливается тем, что с момента нанесения возмущения и до того момента, когда регулируемая величина начнет изменяться, должно пройти некоторое время, затрачиваемое на перемещение регулируемой среды от места нанесения возмущения до места измерения регулируемой величины. Это явление хорошо видно на гидравлической модели одноемкостного объекта с запаздыванием (см. рис. II. 20),
При регулировании уровня воды в баке (рис. II. 20) возмущение в виде изменения подачи воды на стороне притока изменяет подачу воды в открытый желоб, по которому вода и подается в бак. Время запаздывания здесь зависит от длины и наклона желоба.


Рис. II. 20. Конструктивная схема запаздывающего звена
Таким образом, типовая характеристика разгона сложного (многоемкостного) теплового регулируемого объекта имеет характерный вид, изображенный на рис. III. 12 и III. 13. Сумма транспортного и емкостного запаздываний
т0 + те = т (III. 11)
называется полным или условным запаздыванием.
Подводя итоги, мы можем отметить следующие основные особенности сложных тепловых регулируемых объектов:
а) процессы разгона в подавляющем большинстве сложных тепловых регулируемых объектов протекают апериодически и, следовательно, их разгонные характеристики монотонны;
б) колебания, проходя через тепловые регулируемые объекты, отстают по фазе от входных колебаний и уменьшаются по своей амплитуде по мере возрастания их частоты;
в) амплитудно-фазовые характеристики тепловых регулируемых объектов в комплексной плоскости представляют собой спирали, закручивающиеся около начала координат, т. е. около точки, соответствующей бесконечно большой частоте колебаний;
г) тепловые регулируемые объекты являются низкочастотными фильтрами и не пропускают практически колебаний, у которых частота равна или больше некоторой частоты среза соер;
д) подавляющее большинство сложных тепловых объектов обладает кроме емкостного также и транспортным запаздыванием.



Рис. III. 12..Кривая разгона сложного объекта с самовыравниванием / и аппроксимация ее апериодическим звеном с транспортным запаздыванием т, равным сумме емкостного те и действительного транспортного т0 запаздываний.







Тема: Выбор схем регулирования, типовые алгоритмы регулирования и их
динамические характеристики;



1. Понятие и основные сведения об алгоритме.

При построении систем комплексной автоматизации, особенно систем, включающих цифровые управляющие машины, все больше выявляется недостаточность дифференциальных, разностных и интегральных уравнений как математического аппарата описания процессов управления. Обусловлено это большим количеством логических условий, встречающихся в подобных процессах управления, а также дискретностью многих действий.
Необходим более общий способ описания процессов управления. Таким способом может служить алгоритм.
Термин алгоритм происходит от имени средневекового узбекского математика Аль-Хорезми, который еще в IX в. (825 г.) дал правила выполнения четырех арифметических действий в десятичной системе счисления. Процесс выполнения арифметических действий был назван алгоризмом.
Алгоритм есть совокупность четко определенных правил, процедур или команд, обеспечивающих решение поставленной задачи за конечное число шагов.
Под алгоритмом управления понимают совокупность правил приложения управляющих воздействий к исполнительным элементам объекта управления, обеспечивающих его функционирование с целью решения поставленной перед объектом задачи. Вырабатывает указанные воздействия управляющее устройство на основе уставок и ограничений, введенных оператором (априорная информация), и сигналов датчиков, вводимых обратными связями (текущая информация).
В этом смысле алгоритм управления определяет закон функционирования управляющего устройства, обобщенная функциональная структура которого изображена на рис. 1.2.

Алгоритм понятие весьма широкое; оно охватывает любую совокупность преобразований и логических условий, действующих в определенном порядке. Например, алгоритмом можно назвать любую инструкцию или предписание, определяющие порядок действия лица в конкретных условиях. Любая передаточная функция системы управления есть частный вид алгоритма.

2. Способы записи алгоритмов.

Используются следующие способы записи алгоритмов:
словесный;
формульный;
табличный;
операторный;
графический;
язык программирования.
При словесном способе записи содержание последовательных этапов алгоритма описывается в произвольной форме на естественном языке.
Формульный способ основан на строго формализованном аналитическом задании необходимых для исполнения действий.
Табличный способ подразумевает отображение алгоритма в виде таблиц, использующих аппарат реляционного исчисления и алгебру логики для задания подлежащих исполнению взаимных связей между данными, содержащимися в таблице.
Операторный способ базируется на использовании для отображения алгоритма условного набора специальных операторов: арифметических, логических, печати, ввода данных и т, д.; операторы снабжаются индексами и между ними указываются необходимые переходы, а сами индексированные операторы описываются чаще всего в табличной форме.
Графическое отображение алгоритмов в виде блок-схем весьма наглядный и распространенный способ. Графические символы, отображающие выполняемые процедуры, стандартизованы. Наряду с основными символами используются и вспомогательные, поясняющие процедуры и связи между ними.
Алгоритмы могут быть записаны и в виде команд какого-либо языка программирования. Если это макрокоманды, то алгоритм читаем и пользователем-программистом, и вычислительной машиной, имеющей транслятор с соответствующего языка.

Схемы и основные структуры алгоритмов.

Схема алгоритма графическое представление алгоритма, дополняемое элементами словесной записи. Каждый пункт алгоритма отображается на схеме некоторой геометрической фигурой или блоком. При этом правило выполнения схем алгоритмов регламентирует ГОСТ 19.00280 «Единая система программной документации» (табл. 1.21).
Блоки на схемах соединяются линиями потоков информации. Основное направление потока информации идет сверху вниз и слева направо (стрелки могут не указываться), снизу вверх и справа налево стрелка обязательна. Количество входящих линий для блока не ограничено. Выходящая линия одна, за исключением логического блока.
К основным структурам относятся следующие линейные, разветвляющиеся, циклические (рис. 1.21).



Рис. 1.21. Примеры структур алгоритмов:
a линейный алгоритм; б алгоритм с ветвлением; в алгоритм с циклом


Линейными называются алгоритмы, в которых действия осуществляются последовательно друг за другом. Стандартная блок-схема линейного алгоритма приводится на рис. 1.21, а (вычисление суммы двух чисел А и В).
Разветвляющимся называется алгоритм, который, в отличие от линейных алгоритмов, содержит условие, в зависимости от истинности или ложности которого выполняется та или иная последовательность команд. Таким образом, команда ветвления состоит из условия и двух последовательностей команд.
Примером может являться разветвляющийся алгоритм, изображенный в виде блок-схемы (рис. 1.21, б). Аргументами этого алгоритма являются две переменные А, В, а результатом переменная X. Если условие А > В истинно, то выполняется операция X := А х В, в противном случае выполняется Х.= А + В. В результате печатается то значение переменной X, которое она получает при выполнении одной из серий команд.
Циклическим называется алгоритм, в котором некоторая последовательность операций (тело цикла) выполняется многократно. Однако «многократно» не означает «до бесконечности». Организация циклов, никогда не приводящая к остановке в выполнении алгоритма, является нарушением требования его результативности получения результата за конечное число шагов.
В цикл в качестве базовых входят блок проверки условия и тело цикла. Перед операцией цикла осуществляется начальное присвоение значений тем переменным, которые используются в теле цикла.
Рассмотрим пример алгоритма вычисления факториала, изображенный на рис. 1.21 (с циклом «ПОКА»). Переменная N получает значение числа, факториал которого вычисляется. Переменной N1, которая в результате выполнения алгоритма должна получить значение факториала, присваивается первоначальное значение 1. Переменной К также присваивается значение 1. Цикл будет выполняться, пока справедливо условие N > К.

4. Декомпозиция алгоритмов управления и сбора
информации в технологической системе.

Общепризнанным направлением в развитии архитектур современных и перспективных АСУ ТП АЭС является распределённость и децентрализация управления технологическими процессами.
Каждая технологическая подсистема или установка в составе системы имеет контур локального управления (регулирования, стабилизации), функцией которого является поддержание некоторого параметра в соответствии с заданным значением. При наступления нового события (выхода некоторого параметра за пределы порогового значения) во многих практически важных ситуациях существует несколько вариантов стабилизации процесса. В простых случаях система управления вычисляет новые значения уставок и сообщает их оператору, который принимает решение об их применении.
В сложных случаях действия оператора не поддаются формализации и их результат зависит от опыта и искусства оператора.
Процесс решения сложной задачи довольно часто сводится к решению нескольких более простых подзадач. Соответственно при разработке сложного алгоритма он может разбиваться на отдельные алгоритмы, которые называются вспомогательными. Каждый такой вспомогательный алгоритм описывает решение какой-либо подзадачи.
Процесс построения алгоритма методом последовательной детализации состоит в следующем. Сначала алгоритм формулируется в «крупных» блоках (командах), которые могут быть непонятны исполнителю (не входят в его систему команд) и записываются как вызовы вспомогательных алгоритмов. Затем происходит детализация, и все вспомогательные алгоритмы подробно расписываются с использованием команд, понятных исполнителю.

Алгоритмы управления и сбора информации в технологически системе целесообразно разделить на семь параллельно работающих групп алгоритмов (автоматов) (рис. 3.3).



Рис. Схема управления технологической системой.

1. Аварийные защиты А1 описывают ситуации, соответствующие ядерной или пожарной опасности, и действия (команды) на исполнительные механизмы (ИМ), направленные на предотвращение создавшейся ситуации [ос,- (x)hL', в схеме на рис. 3.2].
2 Технологические защиты А2 описывают ситуации, угрожающие сохранности технологического оборудования, и действия (команды) на исполнительные механизмы, направленные на предотвращение разрушения оборудования [р (х)\- [7;- в схеме на рис. 3.2].
3. Технологические блокировки А3 (одношаговые или многошаговые) определяют действия (операции) над исполнительными механизмами для поддержания технологических параметров (температуры, давления, расхода и т. д.) на заданном уровне или в задании пределах. Другое название алгоритмов А3 - программно-логическое управление.
4. Дистанционное управление от оператора А4 - действия и условия их осуществления над исполнительными механизмами по командам от оператора.
5. Регуляторы А5 - автоматы, осуществляющие поддержание некоторого технологического параметра в соответствии с заданием (управлением) по одному из законов (П, ПИ, ПИД). С точки зрения реализации автоматы А5 - это множество вычислительных процедур, реализующих заданный закон регулирования (П. ПИ, ПИД и т.д.) и условия включения и отключения регулятора.
6. Информационные автоматы формирования событий А6 - это процедуры, задающие правила установления факта события по каждому параметру, исполнительному механизму и алгоритмам управления A1 - A5.
7. Диагностические автоматы А7 - процедуры, осуществляющие функции первичной локальной диагностики исполнительных механизмов, датчиков, локальных процессов.
Каждый автомат А1 - А5 представляет собой набор параллельно непротиворечиво работающих процедур, вырабатывающих управляющие воздействия на исполнительные механизмы. Автоматы А1- А7 работают также параллельно, и детерминизм воздействия обеспечивается на основе арбитража в соответствии с приоритетами в специальных блоках,- приоритетных автоматах {ПА), команды от последних поступают в исполнительные автоматы (ИА), осуществляющие управление элементарными операциями исполнительных механизмов. Последние блоки одинаковы для всех исполнительных механизмов одного типа.
Общая схема управления технологической системой. Каждый томат А1-А5 независимо от других просматривает собственную базу данных, содержащую текущие значения сигналов от датчиков объекта, сигналы от других систем либо команды от оператора, и по ним вычисляет предварительные управляющие воздействия на собственные исполнительные механизмы, которые поступают на приоритетные автоматы, а последние вырабатывают управляющие boj действия или сохраняют предыдущие.
Реализация дистанционного управления в рассматриваемой схеме осуществляется также на уровне управления технологической системой, поэтому помещать его на уровень (блок) операторского интерфейса нецелесообразно.
Процедуры А6 работают одновременно с остальными автоматами осуществляют информационную связь системы управления технологической системой с другими компонентами АСУ ТП, для этого:
устанавливается факт смены состояния любого дискретного входа (выхода) функции и формируется соответствующее сообщение (телеграмма) в систему коммуникации (дискретное событие);
фиксируется изменение любого непрерывного параметра (температуры, давления и т. д.) на заданное с точки зрения точности значение и по этому факту устанавливается параметрическое событие и формируется соответствующая телеграмма в систему коммуникации).

5. Классификация процессов функционирования энергоблока.

Классификация процессов функционирования энергоблока:
стационарные процессы поддержание параметров, обеспечивающих проектную работу технологического оборудования;
многократные, систематически повторяющиеся технологические процессы поддержание водно-химического режима, борное регулирование, вывод/ ввод оборудования в соответствии с графиком ремонта и т.п.;
однократные длительные технологические процессы при нормальной эксплуатации пуск и останов энергоблока;
быстропротекающие процессы с нарушением условий нормальной эксплуатации отключение части оборудования;
быстропротекающие процессы при возникновении исходных событий проектных аварий.
В зависимости от режима функционирования существенно меняется содержание задач управления. Так, при работе в режимах пуска и останова энергоблока, изменения мощности задачей системы управления является проведение переходных режимов с требуемым качеством и в определенных временных интервалах. Основной задачей при этом является обеспечение безопасного управления энергоблоком.
При работе в базовом режиме задачей системы управления является поддержание требуемого стационарного состояния на неограниченном интервале времени. Основная задача стабилизация режима и поддержание динамического баланса мощностей в элементах энергоблока.

6. Типовые алгоритмы управления.

Алгоритм управления, его структура и параметры зависят не только от задачи управления, но и от того объекта, которым предстоит управлять. Многообразие объектов управления, не поддающихся типизации, отсутствие единой четкой классификации задач управления затрудняют классификацию алгоритмов управления.
Для упрощенного представления можно выделить среди алгоритмов управления две наиболее обобщенные и укрупненные группы: алгоритмы управления состоянием и сменой состояний. К первым могут быть отнесены алгоритмы поддержания заданного рационального либо предварительно рассчитанного оптимального значения технологического параметра. Они получили название алгоритмов стабилизации или регулирования. Среди них выделяют регулирование по отклонению координаты и регулирование по возмущению. К этой группе могут быть отнесены также алгоритмы статической оптимизации, когда управляющее устройство автоматически осуществляет поиск такого сочетания значений технологических параметров, при котором достигается наилучшее (оптимальное) значение некоторого критерия качества функционирования объекта управления.
Если для достижения оптимального критерия качества необходимо задавать недопустимые значения параметров объекта управления, то формируются предельно допустимые алгоритмы, обеспечивающие наибольшее приближение к оптимуму.
К алгоритмам второй группы следует отнести алгоритмы отработки заданной рациональной или заданной оптимальной траектории -алгоритмы программно-следящего управления. К ним также могут быть отнесены алгоритмы отработки заданной рациональной или оптимальной дискретной последовательности смены технологических операций, образующей технологический цикл.
В отличие от перечисленных алгоритмы динамической оптимизации обеспечивают автоматический выбор оптимальной траектории или ее формирование, коррекцию в процессе отработки в зависимости от меняющихся условий таким образом, чтобы сохранить наилучшее значение критерия качества функционирования.
Наиболее современным и перспективным является оптимальное управление, которое хотя и является обычно наиболее трудно реализуемым, но зато дает наибольший технико-экономический эффект. Решение задач оптимального управления по существу стало реальным в связи с применением в системах автоматизации микропроцессоров и мини-ЭВМ.


7. Типовые алгоритмы регулирования, типовые регуляторы
и их динамические характеристики.

Основными функциями типового регулятора являются усиление сигнала рассогласования и формирование корректирующих сигналов от ошибки, ее производной и интеграла ошибки. Различают несколько разновидностей регуляторов в зависимости от алгоритма формирования корректирующего сигнала: пропорциональный (П-регулятор), интегральный (И-регулятор), пропорционально-интегральный (ПИ-регулятор), пропорционально-дифференциальный (ПД-регулятор), пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД-регулятор).

Опишем характеристики и параметры настройки типовых регуляторов.
П-регулятор имеет статическую линейную характеристику, печаточная функция его равна кр. П-регулятор безынерционно реагирует на ступенчатое воздействие.
И-регулятор имеет передаточную функцию вида

где Т постоянная времени интегрирования. На входной единичный ступенчатый сигнал И-регулятор реагирует линейным сигналом, причем за время Т выходной сигнал достигает единицы.
ПИ-регулятор имеет двухпараметрическую передаточную функцию вида

где кр, Ти коэффициент передачи и время изодрома соответственно. ПИ-регулятор является астатическим регулятором, он совмещает в себе свойства П- и И-регуляторов, его реакция на единичное воздействие представляется мгновенным скачком величины кр и последующим линейно растущим сигналом с наклоном Ти/кр.
ПД-регулятор имеет передаточную функцию вида

где к , Т коэффициент передачи и время упреждения соответственно, ПД-регулятор в стационарном режиме ведет себя как пропорциональное звено, но при изменении входного сигнала вырабатывает дополнительную составляющую, соответствующую производной от входного сигнала. Переходная функция регулятора приведена на рис. 5.3, а.


ПИД-регулятор имеет трехпараметри-ческую передаточную функцию вида

где кр, Г, ТИ коэффициент передачи, время упреждения и время изодрома соответственно. Структурная модель ПИД-регулятора может быть представлена и в мультипликативной форме


Переходная функция регулятора приведена на рис. 5.3, б. Логарифмическая амплитудная частотная характеристика ПИД-регулятора имеет симметричный вид относительно своей среднечастотной части, наклон в низкочастотной части составляет 20 дБ/дек и 20 дБ/дек в высокочастотной части характеристики, средние частоты подавляются.



8. Выбор схем регулирования типовых теплоэнергетических
процессов и методы настройки типовых регуляторов.

Конкретный вид алгоритмов функционирования отдельных блоков системы управления, структура которой приведена на рис. 3.1, может быть довольно разнообразным.


Рис. 3.1

Особенностью реального управления многими инерционными технологическими процессами, такими как процесс регулирования давления, расхода, уровня, температуры, является апериодичность переходных характеристик. Общий вид экспериментальных переходных кривых таких процессов характеризуется тремя основами параметрами: Т, г, V постоянной времени, временем отставания и скоростью нарастания соответственно, а простейшей обобщенной моделью является модель



Рис. 5.4

Опыт автоматизации технологических процессов показывает, однако, что на практике для управления такими процессами при Т > (5 + 10)r алгоритмы функционирования регуляторов, как правило, выбираются в виде типового ПИД-алгоритма и его модификаций. Объясняется это тем, что в рамках рассматриваемой структуры системы управления указанные алгоритмы регулирования являются достаточно близкими к оптимальным, если речь идет о выполнении регуляторами свойственных им функций устранения влияния на процесс управления неконтролируемых случайных возмущений.
Расчет параметров регулятора достаточно прост и практически табулирован, практика настройки системы с ПИД-регулятором доведена до простейших приемов, в чем можно убедиться, используя метод ЦиглераНикольса.
В этом методе используют только два параметра r , V, и он тем точнее, чем больше величина третьего параметра Т. Правило настройки регулятора состоит из двух шагов:
на первом шаге регулятор рассматривают как пропорциональный и увеличивают коэффициент передачи прямого тракта до предельного значения к*, когда система выходит на границу устойчивости и совершает незатухающие колебания с периодом
на втором шаге определяют параметры регулятора по правилу:
кр = 0,5к* для П-регулятора;
кр = 0,45 к* Тн = 0,83T* для ПИ-регулятора;
кр = 0,6к*, Тн = 0,5 T*, TД = 0,1257* для ПИД-регулятора.
Показатели к*, Т*, по которым определяют параметры настройки регуляторов, находят расчетным путем с использованием частотного годографа Найквиста. В самом деле, предельный коэффициент усиления к* и период Т* = однозначно определяются из условия W(j
·*) = 1, когда частотная характеристика разомкнутой части системы проходит через точку 1 на действительной оси.
Параметры регулятора могут быть вычислены и по экспериментально снятой кривой переходного процесса, по которой графически определяют г, Т, V:




Неудовлетворительная работа системы регулирования, как правило, свидетельствует не о плохой работе ПИД-алгоритма (при условии, конечно, что он настроен оптимально), а о неудовлетворительности информационной структуры системы; для улучшения качества регулирования в этом случае следует попытаться ввести новые добавочные каналы информации о состоянии объекта, т. е. либо перейти к схемам с добавочными регулируемыми величинами, либо ввести компенсирующие сигналы от возмущений.
Напомним также (см. § 1.2), что системы регулирования не предназначены для выполнения функций быстрой отработки относительно больших изменений заданного значения управляемой величины, особенности с учетом проявляющихся в этом случае нелинейных свойств объекта и возможного выхода управляющего органа на ограничения. Для этой цели должны использоваться командные блоки управления, располагаемые на более высоком уровне иерархической структуры системы.







ТЕМА: Алгоритмы отработки дискретной последовательности смены технологических операций, образующих технологический цикл.

3.4.1. Структура формирования технологического цикла
Полный технологический цикл изготовления готовой штучной продукции всегда представляет собой совокупность отдельных технологических операций, сменяющих друг друга в определенной последовательности. Причинами смены операций могут быть команды человека-оператора или автоматического устройства, выдающего их после получения сигналов от датчиков об окончании предыдущей операции в соответствии с заложенной в него программой. В то же время очень редко можно обеспечить нормальную работу агрегата, ориентируясь на "жесткую" программу, не способную адаптироваться к неожиданным ситуациям, возникающим в технологическом цикле. Так, если на какой-либо операции становится очевидным появление брака, то оператор или автоматическое устройство следующей командой должны предусмотреть не продолжение обработки, а останов агрегата и уборку бракованной детали. Аналогичная ситуация возникает при поломке оборудования, превышении допустимых значений параметров процесса, несоответствии параметров исходной заготовки техническим условиям.
При управлении технологическим циклом необходимо формировать дискретную последовательность (программу) команд исполнительным элементам технологического объекта управления (электро- и гидроприводам). Формирование команд осуществляется управляющим устройством, называемым дискретным автоматом (рис. 3.6), на основе логического анализа ситуации, о которой сообщают различные датчики положения детали, завершения или качества протекания очередной технологической операции, по командным и оповестительным входам. Только зная, как и при каких условиях должна формироваться нужная последовательность состояния объекта управления, можно сформулировать задание на синтез управляющего устройства.


Рис. 3.6. Структура управления технологическим циклом при помощи дискретного автоматического устройства
Таким образом, хотя общая функциональная структура АСУ ТП остается такой, как представлена на рис. 1.2, методы построения модели технологического цикла принципиально отличны от рассмотренных выше методов получении моделей объекта, отражающих непрерывное его функционирование в процессе выполнения технологической операции.
Существуют различные формы представления моделей дискретных последовательностей операций, т.е. моделей технологического цикла. Они могут предеивляться в виде таблиц, циклограмм, графов, формул и т.д. Предполагая, что все технологические последовательности в конечном счете представляют собой повторяющиеся циклы, следует выделить два существенно отличных вида моделей: комбинационные и последовательностные. В первом случае дальнейшее функционирование объекта определяется только состоянием объекта при выполнении предшествующей операции; во втором - последовательностью смены предшествующих операций.
Для удобства деления цикла на отдельные элементы вводится понятие технологического такта или состояния, т.е. конечного интервала времени, когда агрегат работает с неизменной комбинацией включенных (отключенных) командных (кнопки, ключи), оповестительных (датчики) и исполнительных (электро-, гидроприводы, электромагниты, муфты) элементов.
Общая последовательность формализации технологического цикла состоит из следующих этапов:
1) составления содержательного описания, в котором в произвольной повествовательной форме описывается технологический цикл при нормальном его ходе и аварийных ситуациях;
2) разбиения цикла на такты, характеризуемые неизменным состоянием исполнительных приводов и контролируемых параметров;
3) анализ переходов от одного такта к другому при нормальных и аварийных ситуациях для выявления причин переходов, т.е. выявления изменения состояния командных и исполнительных органов вызывающих переход;
4) установления причинно-следственных и логических ситуационных связей между входами и выходами объекта управления, обусловленных требованиями технологии;
5) составления формализованного графического представления алгоритма функционирования в виде таблицы, циклограммы, графика и т.п.


3.4.2. Комбинационные детерминированные модели.
Таблицы истинности
В качестве комбинационных (как наиболее простого вида) моделей, в которых дальнейший ход цикла определяется состоянием входов и выходов объекта управления только в данном такте, часто используются таблицы истинности, отражающие однозначное соответствие дискретных состояний входов и выходов объекта управления.
Активное (включенное) или пассивное (отключенное) состояние исполнительного элемента (входа) или уровень контролируемого выхода (высокий, низкий) может обозначаться любыми символами. Обычно для этих целей используются дискретные величины 1 и 0.
При числе входов п возможны N=2" сочетаний комбинаций их единичного и нулевого уровней. Поскольку последовательность смены комбинаций в данном случае роли не играет, в таблице истинности их удобно располагать в виде кодов натурального ряда двоичных чисел, т.е. чередуя 0 и 1 для первого входа через одно состояние, для второго -через два, для третьего - через четыре и т.д. Особо следует отметить, что не все комбинации состояний входов (исполнительных приводов) и датчиков реально могут иметь место.
Пример 3.7. Произвести сортировку деталей на три группы по размеру, равному b, 2Ъ и больше ЗЬ, открыв заслонки бункеров-накопителей, предназначенных для отбора деталей каждого типа. Контроль размеров деталей можно осуществить тремя датчиками dx-d3, установленными (рис. 3.7) поперек роликового транспортера. Обозначив бункеры .Ej ,Б2 иБ3, выделим следующие ситуации (табл. 3.14) :
1) идет деталь размера b - перекрыт один из датчиков (d, или d2, илиd3), открыт бункере, (такты4,2, 1);
2) идет деталь 2Ъ - перекрыты два датчика (dt, d2 или d2, d3), открыт бункер Б2 (такты 6,3) ;
3) идет деталь размером более ЗЬ - перекрыты все три датчика, открыт бункер Б3 (такт 7).
Таблица истинности составляется для всех возможных комбинаций командных датчиков. Число таких комбинаций равно jV = 2" = 8, где п = 3 - число командных входов (число датчиков). Состояния датчиков обозначаются двоичным кодом натурального ряда чисел, что позволяет упростить заполнение таблицы. Выходные сигналы 0 или 1 соответственно означают, закрыт или открыт бункер.

Рис. 3.7. Установка датчиков для контроля размеров детали








Таблица 3.14
Номера ком бинаций---
- Состояние (тактов) входов выходов

d1
d2
d3
Б1
Б2
Б3

0
0
0
0
0
0
0

1
0
0
1
1
0
0

2
0
1
0
1
0
0

3
0
1
1
0
1
0

4
1
0
0
1
0
0

5
1
0
1
0
0
0

6
1
1
0
0
1
0

7
1
1
1
0
0
1

Незаполненные клетки состояний выходов (такт 5) соответствуют нереальной ситуации, когда деталь перекроет датчики dx и d3 и не перекроет d2; она может возникнуть лишь в результате неисправности датчика d2. Эти клетки заполняются нулями для предотвращения аварийной ситуации (все бункеры закрыты, звучит сигнал) .
3.4.3. Последовательностные детерминированные модели
В отличие от комбинационных моделей при составлении последовательностных моделей необходимо отражать однозначное соответствие состояний выходов комбинациям состояний входов как в данном такте, так и в предыдущих. Следовательно, одна и та же комбинация входов в данном такте может вызвать переход в разные новые состояния в зависимости от того, каким было предшествующее состояние. Поэтому в модели должны быть отражены не только данный такт, но и предыстория.
В зависимости от сложности объекта используются различные виды моделей. В простейшем случае применяются циклограммы, в которых состояния отражают условным изображением включенного или отключенного исполнительного элемента в виде наличия или отсутствия линии. При большом числе состояний применяются таблицы состояний и графы. Более конкретно методика составления моделей изложена на примерах.
Циклограмма. Она представляет собой ряд горизонтальных строк, равных числу командных и исполнительных элементов. Строки условно разбиты на отрезки, число которых равно числу элементарных технологических тактов. Включенное состояние элемента на строке обозначается сплошной линией, отключенное отсутствием ее. Вертикальными линиями на циклограммах показана "передача управления" -причинно-следственные связи между командными и исполнительными элементами.
Когда элемент включен, совокупность тактов называется периодом включения, а когда отключен - периодом отключения. Такт, предшествующий периоду включения, называется включающим, а периоду отключения отключающим.
Пример 3.8. Рассмотрим циклограмму работы грузового подъемника (рис. 3.8). Грузовой подъемник с тележкой от подачи кратковременной команды кнопкой SB (пуск) идет вверх [кнопка SB включает контактор "Вперед" КМ1 (SB -> КМ1), после чего отключается (такт 1)1. В начале движения отключается нижний конечный выключатель SQ2 (такт 2). После достижения крайнего верхнего положения кабина воздействует на верхний конечный выключатель SQ1, который дает команду на отключение КМ1 (такт 3,SQ1 -+КМ1). Контактор КМ1 отключается (такт 4). После выката тележки отключается конечный выключатель SQ3 (такт 5) и включается контактор "Назад" КМ2, подъемник идет вниз (такт 6, SQ3 -»
· КМ2), отключается SQ1 (такт 7). После воздействия внизу на нижний конечный выключатель SQ2 отключается КМ2 (такт 8, SQ2 -> КМ2), кабина останавливается (такт 9).



Рис. 3.8. Циклограмма работы грузового подъемника


4.3.1. Элементы теории дискретных автоматизированных устройств
Под дискретным автоматизированным устройством понимают управляющее устройство, осуществляющее переработку априорной и текущей информации в управляющую, причем носителями всех перечисленных составляющих информации являются дискретные по уровню и во времени сигналы. Это означает, что состояние сигнала каждого входа (выхода) автоматизированного устройства характеризуется двумя уровнями: минимальным, условно обозначаемым 0, и максимальным, обозначаемым I. При наличии нескольких входов (выходов) комбинацию минимальных и максимальных (нулевых и единичных) уровней можно воспринимать двояко:
как наличие или отсутствие на каждом входе (выходе) задающего или командного сигнала, поступающего на какой-либо исполнительный элемент;
как кодовую комбинацию, обозначающую, например, двоичное число, количество разрядов п которого равно количеству входов (выходов). Следовательно, можно говорить о многоуровневом выходном сигнале с числом уровней N=2".
В первом случае дискретное логическое автоматизированное устройство решает задачи логического анализа ситуации, определяемой рядом действующих или отсутствующих факторов, во втором арифметическое устройство, осуществляет преобразование информации путем выполнения арифметических операций над числами.
Как логические, так и арифметические устройства реализуются применением ограниченного числа типовых элементарных операций над дискретными сигналами и сходных методов синтеза и анализа.
Дискретизация по времени означает, что в течение конечного интервала времени f;-, именуемого тактом, состояние сигнала либо их комбинация остаются неизменными. Пронумерованная последовательность таких тактов образует автоматное время.
Дискретные управляющие устройства в соответствии с требованиями технологического цикла (см. § 2.3) бывают комбинационными и последовательностными. Первые характерны тем, что комбинация состояний выходных сигналов Укг- в данном такте ti однозначно определяется комбинацией входных сигналов X, в этом же такте времени, т.е.

где X оператор (алгоритм) преобразования.

Комбинационные автоматы называют также автоматами с нулевой памятью.
У последовательностных автоматов комбинация состояний выходов в такте tj зависит не только от комбинации состояний входов в данном такте, но и от того, какими были комбинации состояний входов в п предыдущих тактах, т.е.

Их называют также автоматами с ненулевой памятью, так как для выработки своих выходных (управляющих) сигналов они должны не только "знать", что сейчас (в данном такте) происходит на входе, но и "помнить", что было раньше.
Переключательной функцией (ПФ) называют переменную, значения которой зависят от значений других двоичных переменныхаргументов. Переключательная функция задается в виде соответствия ее значения каждому набору (комбинации) значений ее аргументов. Переключательные функции считаются разными, если отличаются значениями хотя бы для одного набора.
При п аргументах число наборов N = 2", а число переключательных функций
М = 2N = 22".
По характеру реакции на входное воздействие различают асинхронные автоматы, у которых изменение состояния выходов происходит сразу после изменения входных, и синхронные, у которых изменение выходов происходит лишь в том случае, если после изменения входных сигналов поступит синхронизирующий сигнал, разрешающий преобразование.
Для создания самого сложного дискретного автомата любого типа достаточно иметь элементы, реализующие операцию ИЛИНЕ (инверсия дизъюнкциии или операция Пирса) либо операцию ИНЕ (инверсия конъюнкции или операция Шеффера), т.е. так называемый функционально полный набор.
Последовательностные автоматы отличаются от комбинационных также наличием обратных связей, по которым на входы автомата подаются сигналы, соответствующие состоянию выходов в предыдущем такте.
Ниже рассмотрены достаточно обобщенные методы анализа и синтеза дискретных автоматов с использованием элементов минимальной и средней степеней интеграции.
Основные этапы синтеза дискретного автомата следующие:
1) составление задания на разработку в виде содержательного описания, где формулируются требования управляемого объекта к автомату, т.е. описания, на какой исполнительный элемент объекта и в каком такте должен быть подан минимальный (0) или максимальный (1) уровень сигнала данного выхода автомата, чтобы с учетом состояния задающих входов и выходов, воспринимающих сигналы обратных связей, обеспечить требуемое функционирование управляемого объекта;
2) получение формальной модели автомата на основе содержательного описания в виде таблиц, графов, матриц и т.п. (см. § 3.4) ;
3) получение на основе модели объекта исходной или минимальной формы аналитического представления оператора преобразования, реализуемого автоматом и обеспечивающего требуемый закон функционирования управляемого объекта. Эта часть синтеза является основной и базируется на аксиомах и постулатах Булевой (двоичной) алгебры;
4) разработка принципиальной схемы автомата на основе полученной в п. 3 его формальной модели и используемой конкретной элементной базы;
5) разработка и согласование узлов связи автомата с оператором и управляемым объектом, защита от помех и т.п.





РЕАЛИЗАЦИЯ ЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИИ
Каждое устройство, состоящее из соединенных между собой катушек реле и контактов1 (контактов реле, кнопок, датчиков), можно описать с помощью булевых функций2 и, наоборот, любую логическую функцию можно реализовать с помощью схемы, состоящей из соединенных между собой катушек и контактов реле. Обычно при записи функций катушки реле обозначаются большими буквами, а контакты маленькими. Включенное состояние реле (контакта реле) записывается как Р=1 (р=1), отключенное состояние реле (контакта реле)Р=0 (р=0). Для простейшей схемы, изображенной на рис. 2-3,а, можно записать:
Р=1, если а=\, и Р=0, если а=0, или Ра.
В схеме рис. 2-3,6 реле Р включено, когда отключено реле А, или
Р=а.
На схеме рис. 2-3,0 реле Р включено, если включены оба реле А и В:
P=ab,

Рис. 2-3. Реализация основных логических функций.

а на схеме 2-3,г реле Р включено, если включено хотя бы одно реле А или В:
Р = а\/Ь.
Отсюда вытекают общие правила: последовательному соединению контактов соответствует конъюнкция, параллельному дизъюнкция, а нормально замкнутый контакт в схеме соответствует отрицанию Следуя этим правилам, легко выразить функцию, реализованную схемой на рис. 2-4,а:

Рис. 2-4. Схемы, реализующие функцию
Построение контактной схемы, соответствующей аналитическому выражению логической функции, также не представляет трудности.
В целях уменьшения числа контактных пружин можно соединять контакты одного и того же реле, имеющие общую точку: замыкающий и размыкающий контакты заменить одним переключающим (рис. 2-4,6).

5.4. Схемная реализация комбинационных схем на логических элементах
Логическими элементами называются микросхемы малой степени интеграции, реализующие простейшие логические функции двух четырех аргументов. Наиболее распространены логические элементы, реализующие логические функции И (рис. 5.5, а), ИДИ (рис. 5.5, б), И-НЕ (рис. 5.5, в) и ИЛИ-НЕ (рис. 5.5, г). К логическим элементам относятся также микросхемы, реализующие простейшие последовательностные алгоритмы (например, триггеры), но они будут рассмотрены далее.
Логические элементы И реализуют функцию логического умножения (конъюнкцию). Это означает, что выходной сигнал схемы И равен единице только в том случае, когда все ее входные сигналы равны единице. Логический элемент И называется также схемой совпадения.
Логические элементы ИЛИ реализуют функцию логического сложения (дизъюнкцию), т.е. сигнал на выходе схемы ИЛИ равен нулю только тогда, когда все входные сигналы равны нулю.
Логические элементы И НЕ реализуют функцию инверсии логического произведения (функцию Шеффера), а элементы

Рис. 5.5. Схемные обозначения логических элементов И (а), ИЛИ (б), И-НЕ (в), ИЛИ-НЕ (г)

ИЛИ НЕ функцию инверсии логической суммы (функцию Пирса). Таким образом, если логическое произведение равно единице, то элемент И НЕ выдает нулевой сигнал на своем выходе; если логическая сумма равна единице, то элемент ИЛИ НЕ также выдает нулевой сигнал. В противном случае на выходах элементов данного типа формируется единичный сигнал (см. табл.. П4.1 Приложения 4).
В одном корпусе микросхемы обычно имеется четыре логических схемы на два входа каждая, либо три схемы на три входа каждая, либо две схемы на четыре входа каждая независимо от вида элементарных логических функций, которые данные микросхемы реализуют. Если не все входы логической схемы используются в проектируемом устройстве, то неиспользуемые входы следует объединять с используемыми. Так, для реализации функции инверсии необходимо объединить все входы схемы И НЕ (рис. 5.6, а). Тогда получим
Y = ~XX = X.
Если две схемы И НЕ соединить последовательно, как показано на рис. 5.6, б, то вторая схема инвертирует инверсию логического произведения, полученного на первой схеме, так что на выходе второй схемы получим само логическое произведение.
Если же на вход схемы И НЕ подать инверсии интересующих нас сигналов (рис. 5.6, в), полученных предварительно с помощью схемы И НЕ, то на выходе получим логическую сумму исходных сигналов согласно закону Де Моргана (см. подразд. П4.3 Приложения 4). Таким образом, с помощью элементов И НЕ можно реализовать все базовые функции булевой алгебры, а следовательно, любые логические функции. Так же универсальны и элементы ИЛИ НЕ. Элементы других типов, которые при наличии элементов И НЕ или ИЛИ НЕ не являются обязательными для реализации алгоритмов управления, имеют, как правило, специальное назначение. Так, элементы И (см. рис. 5.5, а) обычно являются усилительными элементами. Их допустимый выходной ток достигает 100 мА, в то время как обычные логические элементы имеют допустимый выходной ток до 5 мА.

Рис. 5.6. Реализация базовых логических функций на элементах И НЕ: а инверсия; б логическое произведение; в логическая сумма.

ЗАДАЧИ МИНИМИЗАЦИИ ФУНКЦИЙ
Принимая во внимание проблемы оптимизации проектируемого устройства, можно утверждать, что в общем случае схема с меньшим количеством элементов обходится дешевле и более надежна в работе, а из двух схем с одинаковым количеством логических элементов лучше та, которая оперирует меньшим числом сигналов (имеет меньшее суммарное число входов всех элементов). Итак, независимо от применяемых в дальнейшем при построении логической схемы элементов очень важным этапом синтеза является поиск такого вида логической функции, в котором имеется минимальное число букв (переменных и их отрицаний)1. Процесс поиска такого вида называется минимизацией функции и основывается на так называемых правилах склеивания:
Ax\jAx=A; (Ву х)(Ву х)=В,
в которых А и В - переменные или логические функции. Эти правила можно сформулировать следующим образом: дизъюнкция или конъюнкция двух выражений, отличающихся одно от другого только знаком отрицания для одной переменной, могут быть заменены одним выражением без той переменной, по которой они отличаются. Например:

Выражения, для которых возможно склеивание, называются соседними выражениями. Если в полученных канонических представлениях имеются соседние выражения, то соответствующие представления можно упростить с целью получения простой технической реализации.
МЕТОД МАТРИЦ КАРНО
Метод матриц Карно (диаграмм Вейча) облегчает процедуру склеивания благодаря тому, что члены СДНФ или СКНФ (полные конъюнкции или полные дизъюнкции) размещаются на плоскости таким образом, что соседние члены, для которых возможно склеивание, оказываются в непосредственной близости друг от друга.
Примеры матриц Карно приведены на рис. 3-2. Каждая клетка матрицы соответствует одной комбинации значений входных переменных. Код этих комбинаций подобран так, чтобы соседние клетки отличались значениями только одной переменной, т. е. чтобы им соответствовали соседние выражения (код Грея). В построенную на основе этого кода таблицу вписываются символы, соответствующие значениям функции на определенных наборах входных переменных. Процедура облегчается, если функция задана десятичными индексами входных наборов. Такие матрицы, заполненные десятичными числами, представлены на рис. 3-2.

Рис. 3-3.. Примеры объединения и результаты склеивания в матрицах для трех переменных.
Если в двух соседних клетках заполненной матрицы Карно находятся одинаковые символы (0 или 1), то соответствующие этим клеткам выражения можно склеить, что равносильно устранению переменной, которая в рамках склеиваемой группы меняет значение. Соседние клетки матрицы, образующие пары, объединяются замкнутой линией для обозначения возможности склеивания.
Итак, одинаковые символы, охваченные контуром, можно представить конъюнкцией (если эти символы суть единицы) или дизъюнкцией (если эти символы нули), в которые входят только переменные, не меняющиеся в пределах этого контура. На рис. 3-3 под соответствующими матрицами приведены результаты склеивания, причем на первом месте даны выражения, представляющие группу единиц, а через точку с запятой выражения, представляющие группу нулей.
Пример 4.2. Разработать автомат, реагирующий не менее чем на два сигнала из трех (мажоритарный автомат).

5.5. Синтез алгоритмов последовательностных автоматов
5.5.1. Общая структура последовательностного автомата
Последовательностными автоматами называются управляющие устройства, выходные сигналы которых зависят не только от комбинации входных сигналов, имевших место в текущем такте технологического цикла, но и от комбинаций входных сигналов, имевших место в предыдущих тактах и повлиявших на внутреннее состояние автомата. Так, при перемещении рабочего органа станка по линейной траектории и достижении заданной точки рабочей зоны станка система программного управления переходит к выполнению нового кадра программы, в котором может быть задано опять же перемещение по линейной траектории, но в другом на правлении и с другой скоростью. Сигналом к переходу на отработку нового кадра программы является в этом случае совокупность сигналов датчиков положения о достижении заданной точки в пространстве.
В простейших последовательностных автоматах, которые далее будем называть просто автоматами, программа работы жестко закладывается в конструкцию автомата и определяет последовательность смены его состояний. Каждое состояние автомата характеризуется отличным от соседнего состояния способом реагирования на поступающие входные сигналы. Переход от одного состояния к другому определяется как комбинацией входных сигналов, так и конкретным состоянием, в котором находится автомат.
Самым простым способом смены состояний является случай, когда все состояния пронумерованы и их смена производится в порядке увеличения (или уменьшения) номеров. Запоминание состояний автомата обычно производится с помощью двоичных элементов памяти, таких как электронный триггер (см. подразд. 5.6) или электромагнитное реле. Число состояний М, которые можно запомнить с помощью совокупности из т таких элементов, достигает М = 2т, так что число запоминающих элементов т определяют с помощью неравенства
т > log2M. (5.7)
Если обозначить через ^совокупность сигналов обратной связи (входных сигналов), поступающих от ТО, через Y совокупность сигналов управления (выходных сигналов), подаваемых на ТО, а через Z совокупность внутренних управляющих сигналов, отображающих текущее состояние автомата, то окажется, что одним и тем же значениям А'соответствуют различные значения Y, если при тех же X значения Z различны.
Общая структура последовательностного автомата приведена на рис. 5.8. Автомат состоит из двух основных блоков: арифметико-логического устройства (АЛУ) и устройства формирования состояний (УФС). Блок АЛУ является комбинационной частью последовательностного автомата. Он производит заданные арифметические и логические операции над входными сигналами X' и управляющими сигналами Z'~', причем у простейших автоматов производятся только логические операции.
Блок УФС, действуя посредством совокупности управляющих сигналов Zf-\ задает операции, которые должно произвести АЛУ над входными сигналами X' в текущем рабочем такте. Выходные сигналы АЛУ подразделяются на две группы: Y' и Z', причем индекс t означает момент времени или номер такта, в котором были выработаны данные сигналы.-

Рис. 5.8. Общая структура последовательностного автомата

Сигналы V это управляющие сигналы, подаваемые на технологический объект, а сигналы Z' это внутренние управляющие сигналы, характеризующие внутреннее состояние автомата. Они подаются совместно с некоторыми сигналами У в УФС и там запоминаются. Затем эти сигналы обрабатываются в соответствии с действиями, предусмотренными очередным кадром управляющей программы (УП), и подаются на вход АЛУ после прихода очередного тактового импульса Сна вход синхронизации. Синхронизация предотвращает подачу управляющих сигналов Z'-1 до того, как они будут полностью сформирован ы в УФС. После того как они сформируются и будут поданы в АЛУ, в УФС смогут поступить новые сигналы Z' и V сигналы следующего такта управления. Следовательно, управляющие сигналы Z' 1 на входе АЛУ относятся к предыдущему такту работы АЛУ, о чем свидетельствует индекс
У простейших автоматов внешняя УП после задания режима работы в УФС не поступает. Их поведение в технологическом цикле целиком определяется распределением сигналов Y' и Z', которые поступают в УФС и там запоминаются. После подачи тактового импульса на вход С совокупность сигналов Z (часть которых может совпадать с выходными сигналами Y) поступает на входы АЛУ, задавая логические операции, которые оно должно совершить в течение нового рабочего такта.
У очень простых автоматов, работающих по принципу асинхронного управления, особый генератор тактовых импульсов отсутствует, а гонка импульсов предотвращается тем, что при любых переходах из одного состояния в другое допускается изменение значения только одного сигнала из всей совокупности внутренних управляющих сигналов Z. В этом случае изменение очередного сигнала ц из совокупности Z является как бы синхронизирующим импульсом, задающим функционирование АЛУ в новом такте //+, работы автомата. Алгоритм последовательностного автомата удобно составлять исходя из структурной схемы, приведенной на рис. 5.8. На этой схеме АЛУ является комбинационной частью автомата, а УФС включает в себя ЗУ, задающие посредством сигналов Z'"1 режим работы АЛУ в каждом рабочем такте автомата в течение технологического цикла. В простейших автоматах сигналы Z'~1 это сигналы Z' и, возможно, часть сигналов Y', сформированных в предыдущем такте автомата и запомненных в УФС. Следовательно, составление алгоритма простого автомата естественным образом разделяется на два этапа. На первом этапе составляется алгоритм функционирования АЛУ в виде

по правилам составления комбинационных схем, а на втором этапе уточняются структура ЗУ в составе УФС и порядок формирования синхронизирующих импульсов. Функцию Y' принято называть функцией выходов, а функцию Z' функцией переходов от состояния к состоянию автомата.
Благодаря обратной связи последовательностные автоматы обладают специфическим свойством, отличающим их от комбинационных и характерным для замкнутых систем управления - они могут быть устойчивыми и неустойчивыми. Устойчивым будем называть состояние, когда комбинация выходов меняется лишь вследствие изменения входа. Неустойчивые автоматы могут после установления комбинации входов несколько раз менять комбинацию на выходе, проходя ряд неустойчивых состояний. Такой процесс может завершиться переходом в устойчивое состояние (затухание колебаний) либо продолжаться неограниченное время (автоколебания).
Разрыв цепи ОС превращает последовательностные автоматы в комбинационные.
Комбинационные автоматы (разомкнутые) всегда устойчивы, как и разомкнутые аналоговые звенья. Формальным признаком устойчивого состояния является равенство

а неустойчивого неравенство


5.5.2. Составление схемы простейшего автомата
Для лучшего усвоения положений теории последовательностных автоматов рассмотрим пример составления схемы такого автомата в релейно-контактном и электронном вариантах.
Пример 5.2. Составить схему регулирования уровня рабочей жидкости в резервуаре в пределах от нижнего уровня, контролируемого поплавковым датчиком dH, до верхнего уровня, контролируемого аналогичным датчиком dB.
Нормальным состоянием датчиков будет считаться такое состояние, при котором заданный уровень достигнут и контакты датчиков разомкнуты (du = 0, dn = 0). Пока не достигнут верхний уровень, т.е. пока dR = 1, насос Н, питающий резервуар, должен быть включен (Н = 1). При достижении верхнего уровня, когда da = 0, насос должен отключиться и оставаться отключенным (Н = 0) до тех пор, пока жидкость не опустится ниже нижнего контролируемого уровня, т.е. пока не замкнутся контакты нижнего датчика (dH = 1).
Технологический цикл регулирования уровня жидкости отображен циклограммой, представленной в табл. 5.7.
Когда оба датчика сигнализируют о том, что заданный уровень не достигнут (d„ = 1 и dR = 1), насос включен (Н = 1). Когда оба датчика сигнализируют о том, что заданный уровень достигнут (d„ = 0 и dK = 0), насос выключен (Н = 0). Но когда нижний датчик сигнализирует о том, что заданный уровень достигнут (dn = 0), а верхний датчик сигнализирует о том, что заданный уровень не
Таблица 5.7
Элементы
Такты

схемы
1
2
3
4

Датчик dH
1
0
0
0

Датчик dB
1
1
0
1

Насос Н
1
1
0
0

Состояния
1
2

достигнут (dB = 1), то в такте 2 насос должен оставаться включенным, а в такте 4 выключенным. Для того чтобы различать эти два случая, обозначим один из них состоянием 1, а второй состоянием 2. В системе управления насосом для различения состояний 1 и 2 можно было бы ввести некую функцию Z, но поскольку она совпадает с функцией Н включения насоса (см. табл. 5.7), принимаем Z= Н.
Составим таблицу истинности для выхода Н' комбинационной части (АЛУ) проектируемого устройства регулирования уровня (табл. 5.8). В данном случае, поскольку Z= Н, составленная таблица выходов, отображающая функцию выхода Н', совпадает с таблицей переходов, отображающей функцию переходов насоса из одного состояния в другое.
В табл. 5.8 Н' 1 означает значение Н в предыдущем такте работы проектируемого устройства, а значение Н' это то значение, которое должно формироваться в текущем такте. Если Н'= Н'_|, то данное состояние устойчиво, а если Н'* Н'~', то данное состояние не устойчиво и перейдет в другое состояние, соответству-
Таблица 5.8
Входы
Выход


d.
Н'-'
Н'

0
0
0
0

0
0
1
0

0
1
0
0

0
1
1
1

1
0
0
*(0)

1
0
1
*(0)

1
1
0
1

1
1
1
1

ющее тому же сочетанию входных сигналов, но другому значению Н. Так, состояние, записанное во второй строке (сверху) табл. 5.8, имеет Н'"1 = 1, а Н' = 0. Оно переходит в состояние, записанное в первой (верхней) строке, где Н'_| = Н' = 0. Это означает, что когда при работающем насосе (Н' 1 = 1) будет достигнут верхний уровень заполнения резервуара (dH = 0 и J„ = 0), система управления должна выключить насос (Н' - 0). Если в этой ситуации насос окажется выключенным (Н'"1 = 0, dH - 0, dB = 0), то он и далее должен оставаться выключенным (Н' = 0).
При составлении таблицы перебирались все сочетания значений dH, dB и Н'"1 от 000 до 111 в порядке счета в двоичном арифметическом коде (см. подразд. 2.3) и определялось, каким должно быть дальнейшее состояние Н' насоса при данной комбинации сигналов датчиков и текущем состоянии Н'"' насоса. Так, если рассмотрим предпоследнюю строку таблицы истинности (1101), то увидим, что в этой ситуации сигналы датчиков (dH = I и dB = 1) свидетельствуют о том, что уровень жидкости в резервуаре снизился ниже допустимого минимума, а насос отключен (Н'_| = 0). Следовательно, система управления должна его включить, о чем свидетельствует последующий выходной сигнал Н'= 1.
В пятой и шестой строках табл. 5.8 на месте значений Н' проставлены звездочки, которые свидетельствуют о невозможности данной ситуации (dH = 1 и dB = 0) при нормальном функционировании системы регулирования. Ведь если действительно d„ = 1, то уровень жидкости в резервуаре ниже допустимого минимума, так что и верхний датчик должен выдавать сигнал dB 1. Если же сигнал du = 0 верен, то уровень жидкости выше верхнего допустимого максимума и нижний датчик, тем более, должен выдавать сигнал dH = 0. Следовательно, при dH = 1 и dB = 0 один из датчиков явно неисправен и система регулирования не может нормально функционировать.
В этой ситуации естественным решением является блокирование автоматической системы регулирования и переход к ручному управлению наполнением резервуара. Для этого следует предусмотреть отключение насоса при появлении неправильной комбинации входных сигналов, т.е. в пятой и шестой строках табл. 5.8 проставить Н' = 0. Если неисправен датчик dB, т.е. всегда dB = 0, то при появлении такой неисправности система регулирования уровня, однажды отключив насос, уже не сможет его включить. Если неисправен датчик d„, т.е. всегда du= 1, то система регулирования сможет включать насос при dH = 1 и dB = 1, но сигнал на включение будет возникать всякий раз, когда контролируемый уровень жидкости окажется меньше максимально возможного уровня, контролируемого датчиком dB. При этом частота цикла включений-отключений оказывается чрезмерно большой, что вынуждает перейти на ручное управление.



Рис. 5.9. Схемы регулирования уровня жидкости в резервуаре на электромагнитных реле (а) и на логических элементах ИНЕ (б)

Аналогично действует обратная связь в схеме на логических элементах. Например, когда сформируются единичные входные сигналы dH - 1 и da = 1, в этот момент времени на вход Н' 1 еще подан сигнал Н' = 0, а не Н' = 1, который соответствует согласно выражению (5.8) входным сигналам dn = 1 и dB = 1. Сигнал Н' = 1 появится лишь после прохождения управляющего сигнала, обусловленного значениями dlf = 1 и dB = 1, через два элемента И НЕ (см. рис. 5.9, б). Теперь, если сравнить схемы, приведенные на рис. 5.9, с общей структурой последовательностного автомата, приведенной на рис. 5.8, то окажется, что релейно-контактная структура, представленная на рис. 5.9, о, и вся логическая схема, представленная на рис. 5.9, б, кроме проводника Н' Н' ', входят в состав АЛУ, комбинационной части автомата. На долю УФС остаются электромеханическая часть реле Н', управляющая положением контактов Н'"1, и проводник Н' Н'"1 в логической схеме, представленной на рис. 5.9, б. Однако этого достаточно, чтобы обеспечить запоминание каждого из двух состояний насоса (включенного и отключенного) и четкий переход из одного состояния в другое.
Простота АЛУ, которое реализует в данном случае только логические операции, и УФС, которое просто передает с элементарной задержкой сигнал о состоянии автомата и обеспечивает запоминание этого сигнала, не должны нас смущать. Несмотря на простоту структура рассмотренной схемы регулирования уровня жидкости в резервуаре соответствует структуре последовательностного автомата, приведенной на рис. 5.8.
Отметим также экономичность релейно-контактного варианта по сравнению с электронным. Ведь реле Н' может быть смонтировано на той же панели, что и силовой контактор, и питается оно от того же источника питания. А электронная схема требует применения особой монтажной платы и особого источника питания, да и стоимость электронных компонентов схемы может оказаться выше стоимости реле Н'. Указанные факторы определяют экономичность несложных релейно-контактных схем управления по сравнению с электронными схемами при небольшой частоте переключений.
5.6. Реализация алгоритмов управления последовательностных автоматов
5.6.1. Виды запоминающих устройств
Основной отличительной чертой последовательностных схем управления является наличие в их составе ЗУ. Поэтому последовательностные автоматы называются автоматами с памятью. Все реальные устройства автоматического управления содержат в своем составе элементы памяти, хотя бы в виде блок-контакта в схеме управления двигателем (см. рис. 5.9, а). Рассмотрим типовые ЗУ, применяемые в АСУТП.
По своему назначению ЗУ подразделяются на два класса: постоянные и оперативные.
ПЗУ предназначены для длительного хранения информации, потому их основным качеством является энергонезависимость, т.е. способность длительное время сохранять записанную информацию после отключения электропитания. По своей конструкции ПЗУ подразделяются на магнитомеханические и электронные.
Магнитомеханические ПЗУ это жесткие магнитные и гибкие дискеты. Информация записывается на их дорожках в виде последовательности намагниченных и ненамагниченных участков в двоичном коде (намагниченный участок это 1, а ненамагниченный это 0). Магнитомеханические ПЗУ энергонезависимы и надежны, допускают перезапись информации, но их быстродействие ограничено скоростью вращения дисков. Они удобны для употребления в тех случаях, когда перезапись информации и обращение за информацией к ЗУ происходит относительно редко, как это бывает, например, при записи массива УП в памяти УЧПУ.
Электронные ПЗУ, в том числе перепрограммируемые (ППЗУ), выполняются на базе больших интегральных схем (БИС). Они обладают большей скоростью обмена информацией и используются для формирования в УВМ системного программного обеспечения (см. подразд. 6.1), а ППЗУ используются также для записи У П. Однако электронные ПЗУ имеют меньшую информационную емкость и низкую транспортабельность.
Оперативные ЗУ предназначены для скоростной обработки текущей (оперативной) информации. Эта информация не предназначена для длительного хранения, но должна быть обработана достаточно быстро, чтобы обеспечить управление быстродействующими исполнительными механизмами, электроприводами. Выполняются ОЗУ на энергозависимых БИС, но позволяют обрабатывать информацию с тактовой частотой в десятки и сотни мегагерц.
Основой БИС ОЗУ являются триггерные ячейки, выполненные на электронных элементах с двумя устойчивыми состояниями триггеров.
5.6.2. Триггеры
Триггер – логический элемент, обладающий двумя устойчивыми состояниями.
Простейшей триггерной ячейкой является асинхронный RS-триггер. Это ячейка с двумя входами (R и S) и двумя выходами: прямым выходом Q и инверсным выходом Q. По сигналу S = 1 (Set установка) RS -триггер устанавливается в единичное состояние, которому соответствует Q = 1 и Q = 0. По сигналу R = 1 (Reset сброс) RS -триггер сбрасывается в нулевое состояние, которому соответствует Q = 0 и Q = 1. Когда на одном из входов RS триггера имеется единичный сигнал, на другой вход должен быть подан нулевой сигнал.
Одновременная подача единичных сигналов на оба входа RS-триггера не допускается.
При наличии на обоих входах RS -триггера нулевых сигналов его состояние не изменяется. Таким образом, RS -триггер является последовательностной управляющей ячейкой, характеризующейся двумя различными внутренними состояниями, каждое из которых целесообразно обозначать сигналом на прямом выходе: Q = = 1 и Q = 0. В такую ячейку можно записать и в ней хранить информацию, объем которой не превышает 1 бит (см. подразд. 2.2).
Триггер это стандартная ячейка ОЗУ для хранения информации емкостью 1 бит.
Функционирование RS -триггера может быть отображено таблицей выходов (табл. 5.9).
Из табл. 5.9 видно, что при R = 0 и S= 0 RS -триггер сохраняет свое состояние неизменным, т.е. хранит ранее записанную информацию: либо Q = 0, либо Q = 1. При подаче сигнала S' = 1 на выходе устанавливается Q' - 1 вместо = 0 или сохраняется Q = 1. Аналогично при подаче R' = 1 на выходе устанавливается Q'' = 0.
Запретность комбинации R= 1 и S= 1 (одновременно) означает, что клетки со звездочками можно заполнять произвольно, так как при нормальной эксплуатации . RS -триггера одновременное поступление R= 1 и S= 1 исключено. При реализации RS -тригтера на элементах ИЛИ НЕ наиболее простая схема получается, если вместо звездочек поставить нули, а при реализации на элементах
Таблица 5.9
R'
S'
G'-1
Q'
Q'
Режим

0
0
0
0
1
Хранение информации
Q'=Q'X

0
0
1
1
0



0
1
0
1
0
Запись 1 Q'= 1

0
1
1
1
0


1
0
0
0
1
Запись 0 Q' = 0

1
0
1
0
1


1
1
0
*(1)
*(1)
Запретная комбинация

1
1
1


Q'=Q'


И НЕ из тех же соображений лучше поставить вместо всех звездочек единицы, что и сделано. Составляя по табл. 5.9 логические
формулы (см. подразд. 5.2) для функций Q1 и Q', получим следующие выражения:
Q' = S + RQ'] =SRQ'(5.9)
Q' = R + SQ'~l = RSQ'~l. (5.10)
Вторые части формул (5.9) и (5.10) позволяют непосредственно по ним получить схему RS-триггера на элементах И НЕ, приведенную на рис. 5.10.
Действительно, на выходе Q' имеем
Q' = RQ'-\ а на выходе Q' соответственно получим
Q> =SQ> =SRQ>-],
что соответствует выражению (5.9).
Аналогично проверяется правильность выражения (5.10) относительно выхода Q' схемы, показанной на рис. 5.10.
Если в формуле (5.9) принять Q = Н, S = dHdB, a R = dB, то она становится эквивалентной формуле (5.8). Таким образом, если на входе RS-триггера по схеме, представленной на рис. 5.10, поместить элемент И НЕ, дающий S = dHdB, а на вход R подать сигнал dB, то функции схем, представленных на рис. 5.9, б и 5.10, совпадут.



Чтобы получить синхронный RS -триггер, нужно на его входах предусмотреть две ячейки И НЕ, на которые подается синхронизирующий импульс С (рис. 5.11).
Синхронный триггер переключается только при одновременной подаче единичных сигналов на один из информационных входов и на вход С (Clock). Так, при С = 1 и S = 1 имеем CS = 0 и триггер переключается в состояние Q - 1, Q = 0 или остается в этом состоянии (см. табл. 5.9). _
Путем подачи внутреннего сигнала CS на вход R Асинхронный RS -триггер превращается в триггер задержки D -триггер (Delay задержка).
У D -триггера вход R является внутренним, а информационный вход S переименован в D.

Рис. Синхронизация поступления входных сигналов X1.X4 .
Состояние D-триггера принимает то значение, которое имеется на входе D: при D = 1 получим Q= 1, а при D= 0 получим Q = 0, но только при условии, что С= 1. При С= 0 состояние выходов D -триггера не изменяется. Это свойство Д-триггера можно использовать для организации считывания информации со входов управляющего устройства.
Из других типов триггеров для нас представляют интерес счетный триггер (Т- триггер) и J К- триггер (рис. 5.13). Т -триггеры лежат в основе схем различных счетчиков, а J К -триггеры являются универсальными в том смысле, что могут выполнять функции триггеров многих других типов. У Т -триггера имеется только один информационный (счетный) вход Т, который совпадает с тактовым входом С. После прохождения единичного импульса на счетном входе Т состояние триггера изменяется на противоположное.
Функционирование Т -триггера моделирует счет в двоичной системе счисления. Действительно, при подаче единичного импульса на его вход (Т = 1) при условии, что значение выхода в этот момент времени равно нулю (Q= 0), значение выхода становится равным единице (Q= 1). Это соответствует добавлению единицы в какой-либо разряд двоичного числа, значение которого до того было равно нулю. При подаче следующего единичного импульса {Т- 1) значение выхода триггера изменится от Q= 1 к Q = 0. То же самое происходит при прибавлении единицы в какой-либо разряд двоичного числа, если его значение до того было равно единице. Однако в двоичном числе при этом произойдет перенос единицы в следующий, старший, разряд. Такой же перенос единицы произойдет и на выходе счетного триггера, если к нему подключить вход следующего счетного триггера, как это делается в счетчиках (см. подразд. 5.6.3).
Универсальность J К -триггера заключается в том, что при подаче входных сигналов J = 1 или К= 1 раздельно он работает, как RS -триггер. Если же на вход К подавать инвертированный сигнал с входа J , то получится D -триггер. А при подаче J = К= 1 одновременно он работает, как Т -триггер, т.е. изменяет свое состояние на противоположное после каждого прохождения единичного импульса на тактовом входе С. Следовательно, структура J К -триггера должна быть такой же, как Т -триггера, но должны быть предусмотрены отдельные информационные входы J и К.



Рис. 5.13. Условные обозначения Т -триггера (б) и J К -триггера (в)

5.6.3. Регистры
Триггеры, используемые в ОЗУ, применяются не по одному, а группами, называемыми регистрами.
Регистр это электронное устройство, базирующееся на совокупности триггерных ячеек и предназначенное для хранения и преобразования помещенной в него информации, записанной в двоичном коде.
По характеру выполняемых операций регистры принято подразделять на регистры хранения, регистры сдвига и счетные регистры (счетчики).
Регистры хранения реализуют только одну, общую для регистров всех типов, функцию хранения информации в двоичном коде. Типичные регистры хранения строятся на D-триггерах. Примером простейшего регистра хранения является совокупность D-триггеров в схеме, приведенной на рис. 5.12.

Рис. 5.14. Регистр хранения RG, построенный на D-триггерах:
а условное обозначение;
Регистры сдвига помимо приема, хранения и выдачи информации подобно регистрам хранения позволяют сдвигать записанную информацию, т.е. перемещать значения записанных битов информации от одной триггерной ячейки к другой, соседней, причем сдвиг информации производится одновременно во всех ячейках в одном направлении. На рис. 5.15 приведена упрощенная схема регистра сдвига, по которой можно судить о том, как организуется сдвиг информации в регистрах, построенных на D-триггерах.

Рис. 5.15. Схема регистра сдвига (а) и его условное обозначение (б)

Информация в такой регистр может поступать как в последовательном, так и в параллельном коде, а сдвиг информации производится подачей единичного импульса на вход сдвига. Вход сдвига организуется путем объединения всех тактовых входов регистра.
Поскольку все D -триггеры регистра соединены последовательно, а при подаче сигнала С = 1 информация со входа D-триггера передается на его выход, то при подаче единичного импульса сдвига вся информация, записанная в триггерах регистра, сдвигается слева направо на один разряд. При этом информация, хранившаяся до подачи импульса сдвига на выходе Q1, будет утрачена, если ее не переписать в какое-либо другое ЗУ, включенное на выходе Q1. Информация, передаваемая в последовательном коде, подается в регистр сдвига через информационный вход D4. Предварительно регистр может быть очищен единичным импульсом, подаваемым на входы R установки нуля. При поступлении на вход D4 информация подается поразрядно, начиная с младшего разряда. После подачи тактового импульса на вход сдвига информация переписывается из каждого разряда в соседний младший.
Счетные регистры, или счетчики, отличаются тем, что помимо функций записи, хранения и выдачи информации выполняют функцию счета поступающих на них импульсов с запоминанием результатов.

Рис. 5.16. Схема трехразрядного двоичного счетчика (а) и его условное обозначение (б)






ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
И МАШИНЫ. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ

Первое механическое устройство, предназначенное для выполнения арифметических операций было создано Блезом Паскалем в 1642 г.
Впервые идея программно управляемой счетной машины, имеющей арифметическое устройство, устройства управления, ввода и печати (хотя и использующей десятичную систему счисления) была выдвинута в 1822 г. английским математиком Чарльзом Бэббиджем. Проект опережал технические возможности своего времени и не был реализован.
Автором первого проекта цифровой вычислительной машины на основе двоичной, а не десятичной системы счисления был профессор физики Джон Винсент Атанасофф (1903-1995гг.).
Машина Атанасоффа была практически готова в декабре 1941 г., но находилась в разобранном виде. В связи с началом Второй мировой войны все работы по реализации этого проекта прекратились. Лишь в 1973 г. приоритет Атанасоффа, как автора первого проекта такой архитектуры вычислительной машины, был окончательно установлен решением федерального суда США.
Первой ЭВМ считается машина ЭНИАК (ENIAC, Electronic Numerial Integrator and Computer - электронный цифровой интегратор и вычислитель). Ее авторы, американские ученые Дж. Мочли и Преспер Экерт (Eckert and Mauchly), работали над ней с 1943 по 1945 гг. Машина была построена в Пенсильванском университете по заказу артиллерийского управления армии США, предназначалась для расчета траекторий полетов снарядов, и представляла собой сложнейшее для середины XX в. инженерное сооружение - длина более 30 м, объем 85 куб. м, масса 30 т. В ЭНИАКе были использованы 18 тыс. электронных ламп, 1500 реле, машина потребляла около 150 кВт.
Первым коммерческим компьютером стала машина ЛЕО (LEO - Lyons' Electronic Office), которая применялась в Англии для расчета зарплаты работникам чайных магазинов (фирма «Лайонс»).
Ключевой этап в развитии вычислительных средств и методов, связан с деятельностью фирмы IBM («International Business Machines»).
. Исторически первая ЭВМ классической структуры и состава - Computer Installation System/360 (фирменное наименование - Вычислительная установка системы 360, в дальнейшем известная как просто IBM/360), была выпущена в 1964 г., и с последующими модификациями (IBM/370, IBM/375) поставлялась вплоть до середины 80-х гг., когда под влиянием микро ЭВМ (ПК) не начали постепенно сходить со сцены. ЭВМ данной серии послужили основой для разработки в СССР и странах - членах СЭВ так называемой Единой системы ЭВМ (ЕС ЭВМ), которые в течение нескольких десятилетий являлись основой отечественной компьютеризации.
Первая в СССР быстродействующая электронная цифровая машина МЭСМ (Малая электронная счетная машина), созданная под руководством С. А. Лебедева была принята в эксплуатацию 25 декабря 1951 г.
МЭСМ была вначале задумана как модель (первая буква в аббревиатуре МЭСМ) Большой электронной счетной машины (БЭСМ). Однако в процессе ее создания стала очевидной целесообразность превращения ее в малую ЭВМ.
Под руководством С. А. Лебедева были созданы и внедрены в производство еще две ламповые ЭВМ - БХМ-2 и М-20. В 60-х гг. были созданы полупроводниковые варианты М-20: М-220 и М-222, а также БЭСМ-ЗМ и БЭСМ-4.

Первые ПК
Первая персональная ЭВМ (ПЭВМ) Micral появилась в 1973 году во Франции. Её автор Труонг Тронг Ти. Первые экземпляры были восприняты как дорогостоящая экзотическая игрушка.
Массовое производство и внедрение в практику персональных компьютеров связывают с именем Стива Джобса, руководителя и основателя фирмы «Эппл компьютер» («Apple Computer»), с 1977 года наладившая выпуск персональных компьютеров «Apple».
История профессиональных ПК (персональных компьютеров) началась в 80-е гг. XX в., когда практически одновременно компании Motorola, Zilog и Intel выпустили на рынок достаточно мощные микропроцессоры Intel 8086, Z80 и М68000.
На этих микропроцессорах были построены первые микрокомпьютеры :
Kaypro II (Zilog); - август 1982 года - компания Э.Кея «Non-Linear Systems»
(позже переименованная в «Kaypro Corporation»).
Macintosh 128К (Motorola); - январь 1984 года - «Apple Computer».
IBM PC XT/AT – 8 марта 1983 года. (Intel - INTegrated ELectronics).(eXtended
Technology – расширенная технология, по сравнению с IBM PC).
ПЭВМ характеризуются небольшими размерами и массовым производством, что позволяет делать их широкодоступным товаром, обеспечивающим обработку различной информации – текстов, звука, изображений и пр.

3.2. СТРУКТУРА И ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЭВМ

Электронная вычислительная машина (ЭВМ, компьютер) представляет собой комплекс технических средств, предназначенный для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач.
В основу архитектуры большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом в отчете по ЭВМ EDVAC:
принцип программного управления из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности. Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд (СчАК). Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды. Если после выполнения команды следует перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду;
принцип однородности памяти программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм);
. принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Существуют и другие классы компьютеров, принципиально отличающиеся от них не-фон-неймановские.
Например, в ассоциативных компьютерах может не выполняться принцип программного управления, поскольку каждая команда здесь содержит адрес следующей (т. е. они могут работать без счетчика команд, указывающего на выполняемую команду программы).
Архитектура фон Неймана часто ассоциируется с принстонской архитектурой, которая характеризуется использованием общей оперативной памяти для хранения программ и данных.
Альтернативная гарвардская архитектура характеризуется физическим разделением памяти команд (программ) и памяти данных.
По прошествии более 60 лет большинство компьютеров так и имеют «фон-неймановскую архитектуру».
В СССР независимо от фон Неймана были сформулированы более детальные и полные принципы построения электронных цифровых вычислительных машин (Сергей Алексеевич Лебедев).

ЭВМ классической архитектуры фон Неймана состоит из пяти основных функциональных блоков:
- арифметическо-логического устройства (АЛУ);
- устройства управления (УУ);
- запоминающего устройства (ЗУ);
- устройства ввода (УВв);
- устройства вывода {УВыв).










Рис. Структурная схема ЭВМ архитектуры фон Неймана.
______ данные и команды
--------- управляющие сигналы.

Арифметическо-логическое устройство и устройство управления составляют совместно процессор (Пр).
Процессор основная часть электронно-вычислительной машины, непосредственно осуществляющая процесс обработки данных и управляющая ее работой.
Арифметическо-логическое устройство функциональная часть процессора выполняющая арифметические и логические действия над данными и предназначения я для выполнения арифметических и логических операций над кодами чисел и команд. В него входит сумматор, ряд регистров, логические схемы и элементы управления. С помощью этих узлов можно складывать, вычитать, умножать и делить числа. Арифметические операции могут выполниться последовательно по разрядам и параллельно. В соответствии с этим могут выть машины последовательного и параллельного действии. В настоящее время наибольшее распространение получили ЭВМ параллельного действия.
Запоминающее устройство предназначено для хранения введенной информации, программы вычислений и промежуточных результатов вычислений. Информация, содержащаяся в памяти запоминающего устройства и необходимая для решения задачи, по мере необходимости выводится из него и передается в АЛУ. После выполнения необходимых преобразований она вновь заносится в память. По назначению запоминающие устройства подразделяются на оперативные (ОЗУ), сверхоперативные (СОЗУ), постоянные (ПЗУ) и внешние (ВЗУ).
В память ЭВМ записывается и программа решении задачи. Программа состоит из последовательности команд (операций), которые необходимо выполнить для решения определенном задачи. Команда содержит адреса чисел в ячейках памяти, а также указание, какую операцию нужно произвести над этими числами. Программа может быть записана па перфоленте, перфокарте, магнитном диске и магнитной ленте. Составленные заранее программы вводится в память машины перед решением задачи.
Оперативное запоминающее устройство состоит из отдельных ячеек, имеющих свои номера или адреса. Каждая ячейка предназначена для хранения кода (слова) определенной длины. Все арифметические, логические операции и операции управления в машине выполняются по специальным управляющим командам.
Команда представляется в виде цифрового набора и состоит из кодовой и адресной частей.
Кодовая часть (код операции) команды содержит условное обозначение операции, которую должна выполнять машина. Адресная часть указывает на то, где хранится информация, над которой необходимо выполнять данную операцию, и куда направить результат. По числу адресов в команде различаются трех-, двух- и одноадресные машины. Имеются машины, команда которых содержит четыре и пять адресов, но они получили малое распространение. На рис. 2-27, а представлено минимальное содержание трехадресной команды.
В трехадресной команде адреса / и 2 указывают местонахождение операндов (данных) в памяти машины, которые следует выбрать для исполнения операции, определяемой кодом операции. Адрес 3 указывает номер ячейки памяти, куда необходимо послать результат.

В двухадресной команде (рис. 2-27,6) в адресной части указываются лишь два адреса, по которым выбираются операнды для исполнения операции, а результат либо может оставаться в арифметическом устройстве, либо посылаться в ячейку, номер которой указан, например, по второму адресу (в этом случае один из операндов хранился в арифметическом устройстве).
В одноадресной команде (рис. 2-27, в) в адресной части указывается всего лишь один адрес, по которому выбирается операнд для исполнения операции или же посылается результат.
Последовательность команд составляет программу работы машины.
Таким образом, ЦВМ должна иметь три основных устройства (рис. 2-28):
1) арифметическое устройство (процессор), предназначенное для выполнения арифметических и логических операций;
2) запоминающее устройство (память), которое служит для хранения программы работы машины, исходных числовых данных, промежуточных и конечных результатов;
3) устройство управления, предназначенное для управления цифровой машиной при автоматической работе ее по программе или при ручном управлении с пульта.
Для ввода и вывода информации служат входные и выходные устройства.
Исходные данные, а также команды вводятся в запоминающее устройство машины, после чего машина подготовлена для решения задачи по заданной программе. В процессе решения задачи устройство управления выбирает последовательно из памяти команду за командой для исполнения. Исполнение команды протекает в два этапа. На первом этапе производится выборка команды из запоминающего устройства, а на втором выбранная команда исполняется.
Как правило, после исполнения команды, выбранной из ячейки с номером k, исполняется очередная команда, находящаяся в ячейке с номером At+1 и т. д., до тех пор, пока не выполнятся все комаялы программы или же не встретится команда, из-» меняющая обычный порядок выборки. ЦВМ, в которых команды автоматически выбираются из ячеек с номерами, увеличивающимися на единицу при каждой выборке, называются машинами с естественным порядком исполнения команд.
Устройство управления выполняет функции управления дли обеспечения взаимодействия составных частей ЭВМ, Оно предназначено для приема и интерпретации кода команды, а также выработки последовательности всех функциональных управляющих сигналов для выполнения операций, задаваемых командой. Кроме того. УУ анализирует ход решения задачи, по мере необходимости модифицирует команды и управляет последовательностью выполнения машиной команд программы в соответствии с заданным алгоритмом конечной совокупностью точно сформулированных правил решения какой-то задачи.
Таким образом, У У в процессе работы обеспечивает автоматическую обработку цифровой информации в ЭВМ. Устройство управления содержит задающий генератор, который вырабатывает импульсы тактовой частоты, синхронизирующие работу машины.
Устройство ввода данных предназначено для ручного или автоматического ввода, хранения и автоматической записи в память машины исходных данных решаемой задачи, а также программы вычислений. Информация вводится в ЭВМ с использованием устройств ввода с перфокарт, перфолент, магнитных лент, магнитных дисков и др.
Накопитель на магнитной ленте (НМЛ) запоминающее устройство, в котором носителем данных является магнитная лента.
Накопитель на магнитных дисках (НМД) запоминающее устройство, в котором носителем данных является магнитный диск.
Устройство вывода данных предназначено для автоматического приема результатов вычислений, хранения и выдачи этих данных в виде, удобном для дальнейшего использования. Результаты вычислений обычно выводятся на печатающее устройство ЭВМ, записываются на магнитную ленту, высвечиваются на экранах и табло пультов и иногда набиваются на перфокарты или перфоленты. Таким образом, одно и то же устройство, например накопитель на магнитной ленте, может выполнить функции как устройства ввода, так и устройства вывода; часто все устройства ввода и вывода объединяются в одну общую группу устройств ввода вывода.





Поколения ЭВМ.

1 поколение
1950-1958, построены на лампах

II поколение
1959-1967 - на транзисторах и печатных платах

III поколение
1968-1978 - на микросхемах малой степени миниатюризации

IV поколение
1979-1993 - на микросхемах большой степени миниатюризации

V поколение
С 1994 - на микросхемах сверхбольшой степени миниатюризации



Классификация ЭВМ.



Академик В.М. Глушков указывал, что существуют три глобальные сферы деятельности человека, которые требуют использования качественно различных типов ЭВМ.
Первое направление является традиционным применение ЭВМ для автоматизации вычислений. Первые, а затем и последующие вычислительные машины классической структуры в основном и создавались для автоматизации вычислений.
Вторая сфера применения ЭВМ связана с использованием их в системах управления. Она зародилась примерно в шестидесятые годы, когда ЭВМ стали интенсивно внедряться в контуры управления автоматических и автоматизированных систем. Новой сфере работ в наибольшей степени отвечали мини-ЭВМ. Именно они стали использоваться для управления отраслями, предприятиями, корпорациями. Для выполнения этих работ в настоящее время применяются в основном ПЭВМ,

Третье направление связано с применением ЭВМ для решения задач искусственного интеллекта. Напомним, что задачи искусственного интеллекта предполагают получение не точного результата, а чаще всего осредненного в статистическом, вероятностном смысле. Это направление постепенно набирает силу. Во многих областях науки и техники создаются и совершенствуются базы данных и базы знаний, экспертные системы. По существу, ЭВМ уступают место сложнейшим вычислительным системам.

Даже это краткое перечисление областей применения ЭВМ показывает, что для решения различных задач нужна соответственно и разная вычислительная техника.
Выделим три большие группы ЭВМ:
- большие ЭВМ;
- вычислительные комплексы и системы;
- малые ЭВМ.
Подобное разделение нельзя воспринимать как классификацию по техническим параметрам. Это, скорее эвристический подход, где большой вес имеет предполагаемая сфера применения компьютеров.

Большие ЭВМ . Основное назначение больших ЭВМ выполнение работ, связанных с обработкой и хранением больших массивов информации, проведением сложных расчетов и исследований в ходе решения научно-исследовательских задач. Работа на больших ЭВМ требует высокой квалификации и опыта. Для неспециалиста в области вычислительной техники большие ЭВМ практически недоступны. В Советском Союзе класс больших ЭВМ составляли ЭВМ семейства ЕС. Название каждой модели образуется из букв ЕС и порядкового номера модели, например: ЕС-1020, ЕС-1022, ЕС-1065. ЭВМ данного семейства разрабатывались совместно различными коллективами стран членов СЭВ. Первые модели этого семейства появились во второй половине 60-х годов.
Для размещения всех устройств большой ЭВМ требуется машинный зал площадью не менее 100 м2, а для ЭВМ, например, ЕС-1065 площадью 350 м2. Внешнее оформление ЭВМ семейства ЕС несколько однотипных шкафов разного назначения.
Большинство АСУ верхнего уровня государственного управления в РФ (в силовых структурах, банках, на транспорте, в связи и т.д.) оснащены машинами семейства ЕС.
После подписания соглашения с фирмой IBM в марте 1993 года Россия получила право производить 23 новейшие модели-аналоги ЭВМ S/390. По расходам на управление и эксплуатацию эти машины оказываются эффективнее других вычислительных средств.
Вычислительные системы. Вычислительные системы состоят из нескольких одновременно работающих ЭВМ или процессоров. Все ЭВМ связаны между собой линиями (проводами) связи. Они могут дублировать друг друга, а могут находиться в резерве. Вычислительные системы строят на различных принципах в зависимости от цели их использования. Вычислительные системы, состоящие из нескольких ЭВМ, называются многомашинными вычислительными комплексами, из нескольких процессоров и общего поля памяти мультипроцессорными вычислительными системами. И тот, и другой тип вычислительной системы служит для повышения производительности и надежности работы. Пользователи подключаются к вычислительным системам через терминалы, расположенные на их рабочих местах.
Терминалами называются удаленные от ЭВМ устройства ввода-вывода информации, подсоединяемые к ЭВМ через специальные каналы связи. Наиболее распространенный тип терминала дисплей.
Многомашинные вычислительные системы отечественного производства выпускались на базе ЭВМ семейства ЕС.
Мультипроцессорные вычислительные системы выпускались на базе мини- ЭВМ семейства СМ.
Малые ЭВМ это наиболее распространенный тип ЭВМ. Общей чертой представителей этой группы являются небольшие габариты и удобство эксплуатации. На некоторых моделях компьютеров без труда может работать человек, имеющий минимальные знания в области вычислительной техники, но являющийся специалистом в другой сфере деятельности.
Среди малых ЭВМ выделены следующие подгруппы: мини-ЭВМ, микроЭВМ, персональные компьютеры, микрокалькуляторы.
Мини-ЭВМ . До появления микроЭВМ и персональных компьютеров мини-ЭВМ целиком определяли класс малых ЭВМ. В отличие от больших ЭВМ мини-ЭВМ очень легко приспособить к управлению различными производствами. Особенно широко они внедрены в автоматизированных системах управления технологическими процессами. Основные функции их контроль и управление технологическими процессами в реальном масштабе времени. Для этой подгруппы малых ЭВМ не требуются специальные помещения. Их внешнее оформление минимум два шкафа (высотой 1,8 м, шириной 0,8 м), куда вставляются блоки, и рабочий стол с дисплеем.
Первой мини-ЭВМ была 12-разрядная PDP-5, созданная в 1963 г. американской фирмой DEC и предназначенная для управления ядерным реактором.
В Советском Союзе малые ЭВМ начали появляться с 1959 г.: «Сетунь» (Москва); затем УМ1-НХ (Ленинград); «Днепр» (Киев); управляющие вычислительные комплексы для АСУТП на основе агрегированных средств вычислительной техники (АСВТ-М) М-6000, М-7000, М-400 и т. д.
«УМ1-НХ» малогабаритная управляющая цифровая вычислительная машина, предназначенная для автоматизации управления производственными процессами. Серийно выпускалась ее с 1963. Построена на потенциальных маломощных транзисторных схемах (общая потребляемая мощность ЦВМ 220 ва); в оперативном запоминающем устройстве использованы миниатюрные интегральные элементы.
Отличительная особенность машины относительно высокая эксплуатационная надежность (благодаря резкому снижению энергетического уровня работы элементов; основное напряжение питания 1,7 в). Для расширения области применения машины разработаны внешнее многоканальное устройство вводавывода, управляющий комплекс с переменной комплектацией на основе «УМ1-НХ». УМ1-НХ стала одной из самых дешевых отечественных управляющих вычислительных машин.
АСВТ-М (агрегатный комплекс средств вычислительной техники на микроэлектронной элементной базе) представляет собой набор агрегатных устройств, предназначенных для компоновки информационных и управляющих вычислительных комплексов (УВК), работающих в реальном масштабе времени. На их базе могут быть также созданы автоматизированные системы управления агрегатами, цехами и производствами, а также вычислительные центры.
Каждое из устройств АСВТ-М представляет собой конструктивно и функционально законченное изделие с унифицированными входами и выходами.
По функциональному назначению вся номенклатура агрегатных модулей АСВТ-М делится на устройства центрального управления и переработки информации, хранения информации, связи с объектом, связи с оперативным персоналом, внутрисистемной связи, выхода на внешние (внесистемные) линии связи, согласователи.
Агрегатный комплекс допускает последующую модернизацию и наращивание системы управления.
В АСВТ-М используют семейства ЭВМ: М-40, М-400, М-6000, М-7000.
Управляющие вычислительные комплексы М-6000 и М-7000 - наиболее распространенные из серии АСВТ-М. Они имеют развитую и совершенную систему связи с объектом управления и оперативным персоналом, широкую систему команд и достаточно полное внутреннее математическое обеспечение.
Базовая конфигурация комплекса М-7000 включает процессор и одно ОЗУ на 16 Кслов, а также таймер, перфоленточное устройство ввода и вывода и печатающее устройство. Были разработаны комплексы более сложных конфигураций, включающие дополнительные устройства и большое число терминалов.
Самая большая модель АСВТ-М комплекс М-4030. Его вычислительная мощность позволяет реализовать алгоритмы оптимального управления сложными технологическими процессами в реальном масштабе времени и параллельно решать задачи информационно-справочного характера. С объектом управления М-4030 связывается при помощи ЭВМ М-40, М-400, М-6000.
В 1974 г. В СССР была организована совместная работа в содружестве со странами членами СЭВ. Создано унифицированное стандартное семейство мини-ЭВМ, которое получило название системы малых (по другой версии – «советчик мастера») - (СМ) ЭВМ. В 19761980 гг. выпущены модели первой очереди: СМ-1, СМ-2, СМ-3, СМ-4. Эти модели программно совместимы с моделями АСВТ-М: СМ-1 и СМ-2 с М-6000, М-7000; СМ-3 и СМ-4 с М-400.
В УВК СМ ЭВМ агрегатные модули выполняются в виде автономных, конструктивно законченных, комплектных блоков с автономным питанием и встроенной вентиляцией. Они реализованы в соответствии со стандартом Международной электротехнической комиссии (МЭК) и размещены в стандартных стойках без каких-либо конструктивных доработок. Такая реализация значительно упрощает проектную компоновку, монтаж, модернизацию и обслуживание СМ ЭВМ по сравнению с АСВТ-М.
СМ ЭВМ построена как агрегатная система средств, позволяющая компоновать. управляющие вычислительные комплексы с различным составом оборудования и обеспечивать замену одного устройства другим аналогичного назначения без изменения общего функционирования системы.




Рис. Общий вид базового вычислительного комплекса СМ-2М (К-125 3/6 )

МикроЭВМ это компьютеры, где в качестве элементной базы использован микропроцессор. Предназначены они для работы в режиме индивидуального общения человека с ЭВМ, хотя имеется возможность в некоторых случаях работать одновременно и нескольким пользователям. Все оборудование микроЭВМ размещается в пределах стола. На микроЭВМ могут работать как специалисты в области вычислительной техники, так и неспециалисты, имеющие некоторый багаж компьютерных знаний. Основные технические характеристики микроЭВМ находятся на уровне мини-ЭВМ и некоторых моделей ЕС. Их стоимость намного меньше, а надежность существенно выше.
В СССР широко использовались отечественные микроЭВМ «Электроника С5», «Электроника 60», «Электроника НЦ», «Электроника 100», «Электроника К1». Из первых моделей наиболее хорошо себя зарекомендовала «Электроника 60», которая кроме высоких технических характеристик имела совместимость с «Электроникой 100/25», СМ-3, СМ-4.
Персональные ЭВМ по своим характеристикам аналогичны микроЭВМ. Однако существует ряд признаков, по которым был выделен именно этот подкласс. Одним из самых важных признаков является создание при работе на ЭВМ таких условий, когда пользователь, имеющий минимальные знания в области вычислительной техники, чувствует себя за пультом управления персональным компьютером удобно и комфортно. Достигается это наличием в памяти ЭВМ большого количества сервисных, а также специально разработанных для пользователей специалистов в конкретной области программ.
Микрокалькуляторы можно отнести к подклассу микроЭВМ, где отсутствует внешняя память. Предназначены они для проведения небольших расчетов, удобны в эксплуатации. Для работы на микрокалькуляторах в программном режиме надо знать принципы программирования на машинно-ориентированном языке.




То, что 3035 лет назад считалось современной большой ЭВМ, в настоящее время является устаревшей техникой с очень скромными возможностями. Современный персональный компьютер с быстродействием в сотни миллионов операций в секунду становится доступным средством для массового пользователя,
В этих условиях любая предложенная классификация ЭВМ очень быстро устаревает и нуждается в корректировке. Например, в классификациях десятилетней давности широко использовались названия мини-, миди- и микроЭВМ, которые сейчас почти исчезли из обихода.

Отдельные единицы оборудования, входящие в состав ТО, управляемого АСУТП, имеют автономные системы управления, позволяющие как встраивать данное оборудование в технологический комплекс, так и использовать его автономно.

По указанной причине управление в АСУТП организуется по иерархическому принципу. Иерархическое управление является одной из разновидностей централизованного управления. При управлении по иерархическому принципу система управления подразделяется на отдельные уровни, или ранги. Общее управление осуществляется центральной управляющей вычислительной машиной (ЦУВМ), которая считается УВМ высшего (первого) ранга. Однако ЦУВМ при иерархическом управлении управляет ТО не непосредственно, а только через промежуточные, локальные, управляющие вычислительные машины (ЛУВМ).
Все ЛУВМ, управляемые непосредственно от ЦУВМ, называются УВМ второго ранга (второго уровня управления). Если имеются ЛУВМ, управляемые не от ЦУВМ, а от УВМ второго ранга, то такие ЛУВМ называются ЛУВМ третьего ранга. По отношению к ним соответствующая УВМ второго ранга оказывается центральной. В результате при управлении по иерархическому принципу каждая УВМ управляет лишь управляющими устройствами ближайшего низшего ранга, а подчиняется лишь одной из УВМ ближайшего высшего ранга. Исключение составляет самый нижний уровень управления, на котором осуществляется непосредственное управление ТО, т.е. не управляющими, а исполнительными устройствами.
Для АСУТП типична трехуровневая иерархическая структура, представленная на рис. 1.1. Здесь ЦУВМ, которая является достаточно мощным промышленным компьютером, снабжает управляющими программами TV ЛУВМ, а последние управляют исполнительными электроприводами (например, М электроприводов)


Рис. 1.1. Типичная трехуровневая иерархическая структура АСУТП

через системы управления электроприводами (СУЭП) или другими исполнительными устройствами.
ЛУВМ могут строиться на базе компьютеров, программируемых логических контроллеров и микроконтроллеров в зависимости от сложности решаемых задач управления. В качестве исполнительных устройств могут быть использованы не только электроприводы, но и нагревательные, электрофизические, электрохимические и другие установки. Системы управления исполнительных устройств могут быть построены как на базе микропроцессорных комплектов, так и без них, могут быть как цифровыми, так и аналоговыми.
На рис. 1.1 показано прохождение лишь прямых управляющих сигналов, а описание каналов обратной связи от ТО к АСУТП будет приведено далее. Прохождение сигналов обратной связи строится также по иерархическому принципу: от исполнительных устройств и агрегатов информация поступает сначала в ЛУВМ по результатам опросов датчиков, установленных на технологическом оборудовании, а ЦУВМ получает необходимую информацию о состоянии технологического объекта в порядке обмена информацией с ЛУВМ (см. подразд. 2.6).

1.3. Структура и основные функции УВМ
Управляющие устройства могут быть построены на дискретных элементах или выполнены в виде УВМ. Будем считать, что управляющее устройство выполнено на дискретных элементах, если в нем функции управления реализуются без применения процессоров. И напротив, если основные логические и арифметические операции, необходимые для осуществления процесса управления, реализуются с помощью микропроцессорных конструкций, то такое управляющее устройство является УВМ.
Современная управляющая вычислительная машина это управляющее устройство, построенное на базе микроЭВМ и их комплексов.
Управляющие устройства на дискретных элементах, такие как магнитные пускатели и аналоговые системы управления электроприводами, применяются в АСУТП на нижних уровнях управления, а на верхних уровнях управления применяются исключительно УВМ (см. рис. l.l). Тем не менее многие функции УВМ, связанные с вводом, выводом, отображением и преобразованием информации, реализуются на дискретных элементах, не входящих в микропроцессорные комплекты, таких как клавиатура, дисплей, магнитные запоминающие диски и дискеты, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи и др.
Структура УВМ в составе АСУТП представлена на рис. 1.2.



Рис. 1.2. Структура УВМ в составе АСУТП


Конструктивно УВМ выполняется в виде пульта управления (ПУ) и процессорного (системного) блока (ПБ). На рис. 1.2 показано, что
УВМ управляет технологическим объектом (ТО) с параметрами У посредством управляющих сигналов X. Пульт управления является основой рабочего места оператора, осуществляющего контроль работы АСУТП. Через ПУ поступает исходная информация в виде управляющих программ (УП), считываемых с магнитных дисков и дискет внешнего запоминающего устройства (ВЗУ).
С помощью клавиатуры ПУ оператор может составлять и корректировать управляющие программы и контролировать ход управляемого технологического процесса, а дисплей ПУ представляет оператору визуальную информацию о ходе ТП и содержании УП. С помощью принтера производится распечатка отчетно-справочной информации о выполнении производственных заданий. Обмен информацией в УВМ осуществляется через стандартные устройства ввода-вывода (УВВ). Они состоят из параллельного и последовательного интерфейсов (портов), причем для связи внутри ПБ обычно используется параллельный интерфейс. Через последовательный интерфейс реализуется связь с отдаленными корреспондентами, прежде всего с ЦУВМ, если она есть.
Информация, поступающая в ПБ с пульта управления или непосредственно от ЦУВМ через УВВ, запоминается в устройствах памяти запоминающих устройствах (ЗУ), состоящих из постоянного (ПЗУ) и оперативного (ОЗУ) запоминающих устройств. В ПЗУ содержится операционная система УВМ, инструментальное программное обеспечение для создания УП, сами УП и общие сведения об управляемом технологическом объекте. В ОЗУ хранятся управляющие программы, находящиеся в работе, и текущая информация о ходе реализуемого технологического процесса, состоянии технологического оборудования и самой УВМ.
Основным устройством, осуществляющим переработку поступающей информации в УВМ и выдачу управляющих сигналов, является центральный процессор (ЦП), состоящий из арифметико-логического (АЛУ) и управляющего (УУ) устройств. АЛУ осуществляет арифметическую и логическую обработку информации с выработкой управляющих сигналов, а УУ определяет, какие арифметико-логические операции и в каком порядке должно реализовать АЛУ в соответствии с заданной программой.
Специфическими устройствами, отличающими УВМ от обычных ЭВМ, являются устройства связи с объектом (УСО) и модули обработки технологической информации (МОТИ).
УСО это модули прямой связи управления. Они преобразуют приходящие с процессора управляющие сигналы, чтобы согласовать их с входными цепями ТО, в то время как МОТИ преобразуют приходящие с ТО сигналы обратной связи (сигналы Y) о параметрах ТО. Если рассматриваемая на рис. 1.2 УВМ является для данного ТО центральной, то она управляет входящими в состав ТО локальными УВМ. В таком случае и УСО, и МОТИ, показанные на рис. 1.2, состоят из стандартных УВВ, объединяющих все УВМ данной АСУТП в информационную и управляющую локальную сеть. Если же рассматривать УВМ, показанную на рис. 1.2, как локальную, то УСО должны обеспечивать согласование управляющих сигналов УВМ с входными цепями различных дискретных цифровых и непрерывных (аналоговых) управляющих устройств нижнего уровня управления, на котором обычно производится управление электроприводами (см. рис. 1.1).
Основные функции модулей УСО в составе ЛУВМ:
усиление управляющих сигналов с соответствующим преобразованием их по уровню и виду;
преобразование кодов цифровых управляющих сигналов (параллельного кода в последовательный и др.);
цифроаналоговое преобразование сигналов перед подачей их на аналоговые управляющие устройства;
потенциальное разделение цепей управления.
В ЛУВМ МОТИ должны совершить обратное преобразование сигналов обратной связи, идущих от управляющих устройств нижнего уровня управления и от технологического оборудования, к виду, приемлемому для системы сигналов, циркулирующих в УВМ. МОТИ производят:
согласование уровней дискретных сигналов обратной связи и УВМ;
аналого-цифровое преобразование аналоговых сигналов обратной связи, поступающих от аналоговых управляющих устройств и исполнительных механизмов;
преобразование кодов цифровых сигналов обратной связи (последовательного в параллельный и др.);
потенциальное разделение цепей управления.
В качестве примеров преобразования выходных сигналов УВМ приведем преобразование дискретного управляющего сигнала уровня до 5 В и до 5 мА тока (но предназначенного для включения контактора переменного тока) в переменное напряжение ПО В с током до 2 А, а также преобразование цифрового сигнала, предназначенного для управления электроприводом, в стандартное задающее напряжение в пределах 0... 10 В.
Примером преобразования сигналов обратной связи может служить преобразование сигналов конечных выключателей, переключающих постоянное напряжение 24 В, в стандартный сигнал УВМ напряжением до 5 В. Таким же примером может быть счет импульсов датчиков перемещения, в результате которого перемещение фиксируется в УВМ в виде числа отсчитанных импульсов.
Устройства УСО и МОТИ выполняются в виде модульных конструкций, объединяющих в себе несколько каналов однотипных преобразователей, таких как преобразователи уровней, аналого-цифровые преобразователи и др. При необходимости такие устройства строятся на базе микропроцессоров, например модули управления сервоприводами.

Архитектура функционального модуля ТПТС. Обобщенная структурная схема функциональных модулей приведена на рис. 4.8. В зависимости от типа модулей отдельные узлы (цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), аналого-цифровые преобразователи (АЦП) или схемы согласования уровней (ССУ) двоичных сигналов) могут отсутствовать).


Рис. 4.8. Структурная схема функционального модуля

Ядром модуля является процессорная часть, в состав которой входит микропроцессор Intel 80188, и память процессора, состоящая из оперативной памяти (RAM) и постоянной памяти EPROM и EEPROM. В EPROM хранятся программные блоки, реализующие арифметические и логические функции, присущие всем модулям (сложение, умножение, дифференцирование, сравнение чисел и т. д.), программные блоки, реализующие функции, специфические для конкретного типа модулей (например, управляющие блоки для модулей управления или алгоритмы регулирования для модулей регуляторов) и программные блоки, реализующие функции контроля, логику прерывания и т.п. Программные блоки записываются в EPROM на этапе изготовления.
В EEPROM хранятся программы пользователя и перечень описаний стандартных функциональных блоков, в соответствии с которым они вызываются из EPROM, настраиваются и выполняются. Данные в EEPROM записываются на этапе проектирования конкретного ПТК.
Для обмена информацией по шине в/в предназначена передающая память URAM двухпортовое оперативное запоминающее устройство ("почтовый ящик"), доступное через один порт внутримодульному процессору, а через второй порт процессору модуля EAS.
Узел АЦП предназначен для приема аналоговых сигналов, мультиплексирования каналов и преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму.
Узел ЦАП преобразует выходные сигналы из цифровой формы в аналоговую и коммутирует их на выходной разъем модуля.
Микропроцессор циклически опрашивает входные сигналы и URAM (информацию, принятую от модуля EAS), обрабатывает принятую информацию по заданной пользователем программе и выдает результаты обработки на выходной разъем модуля и в URAM.-
RAM (Random Access Memory) – оперативное запоминающее устройство (с произвольным доступом).
EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM) – электрически стираемое программируемое ПЗУ.
EPROM (Erasable Programmable ROM) – перезаписываемое программируемое ПЗУ. Неразрушимая память, предназначенная для хранения данных после выключения питания. Информация может быть удалена путём УФО (длина волны обычно 235 нм). Чип EPROM легко распознать по наличию прозрачного кварцевого окна, предназначенного для пропуска УФО.






















































Структура традиционных АСУ ТП АЭС.

На АЭС СССР функционировал ряд информационно-вычислительных систем (ИВС), осуществлявших функции централизованного сбора информации, сигнализации отклонений, регистрации параметров, расчетов технико-экономических показателей и некоторых характеристик реактора. Первой такой системой явилась ИВС «Карат» II блока Белоярской АЭС, разработанная ВНИИЭМ на базе вычислительных машин УМ-1-НХ. Впоследствии несколько информационно-вычислительных машин ИВ-500 было введено на серийных энергетических блоках с реакторами ВВЭР-440. Наиболее совершенной в 70-е годы являлась информационно-вычислительная система «Скала», построенная на базе ЭВМ ВНИИЭМ-3, пущенная в 1974 г. на I блоке Ленинградской АЭС и выполнявшая большой объем операций, связанных с контролем режима канального реактора. Все перечисленные машины относятся ко второму поколению.
На базе ЭВМ третьего поколения были разработаны ИВС «Комплекс-Уран В» (Нововоронежская и Белоярская АЭС) и «Комплекс-Титан 2» (Запорожская и другие АЭС С ВВЭР-1000).
«Комплекс-Уран В» строился на базе УВК М-7000 (V блок НВ АЭС, Белоярская АЭС) и СМ-2М (1-IV блоки НВ АЭС). В процессе модернизации М-7000 на Белоярской АЭС и ВНИИЭМ-3 на Ленинградской АЭС были заменены на СМ-2М К 125 3/6.

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415


13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Традиционная архитектура АСУ ТП с реакторами ВВЭР-1000 основана на применении большого количества каналов контроля и управления, которые функционируют параллельно и почти независимо друг от друга. Результаты измерения либо поступают на входы регуляторов, электронных схем технологических защит, блокировок, либо выводятся на индивидуальные устройства отображения - стрелочные приборы, самописцы и т. п. Управление производится при помощи индивидуальных ключей, для работы с которыми операторы-технологи вынуждены активно перемещаться по блочному пульту, а в сложных ситуациях - использовать помощников. Это не допускается регламентом эксплуатации, но практикуется из-за недостатков в конструкции существующих блочных пультов. В современных АСУ ТП необходимо обеспечить комфортные рабочие места для операторов-технологов, на которых средства визуального контроля расположены в зоне прямой видимости, а органы управления - в пределах рабочего места.
АСУ ТП АЭС призвана решать две основные группы функций - информационные и управляющие.
Информационные функции - сбор и обработка, распределение и представление информации о работе оборудования и ходе технологического процесса, а также выполнение расчетов, связанных с эффективностью работы энергетического блока и АЭС в целом.
Управляющие функции осуществляются в виде дистанционного и автоматического управления агрегатами и механизмами, автоматического регулирования, технологических защит и оптимизации технологического процесса.
Для реализации указанных функций имеется ряд следующих систем и подсистем:
- система технологического контроля;
- подсистема дистанционного и автоматического управления;
- подсистема технологической и аварийной сигнализации;
- подсистема технологических защит;
- система внутриреакторного контроля;
- система (аппаратура) контроля нейтронного потока;
- система (аппаратура) контроля герметичности тепловыделяющих элементов;
- централизованная информационная система радиационного контроля.
Функции АСУ ТП АЭС реализуются комплексом технических средств, в основном специально разработанных для данной серии унифицированных АЭС с реакторами ВВЭР-1000
Информационно-вычислительные и управляющие системы типа "Комплекс-Титан 2" (УВС) в комплекте с унифицированным комплексом технических средств (УКТС) и устройством логического управления (ФГУ)
УВС "Комплекс-Титан .2" является основной частью автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) АЭС с атомными энергоблоками ВВЭР-1000.
Система предназначена для выполнения следующих функций:
- сбор и первичная обработка информации о технологических параметрах;
- отображение информации о непосредственно измеряемых и расчетных параметрах на экранах видеотерминалов оператора и сигнализация об их отклонениях;
- регистрация технологических параметров (их отклонений) и событий в нормальных и аварийных ситуациях;
- расчет ядерно-физических и технологических параметров, а также технико-экономических показателей;
- диагностика состояния основного технологического оборудования;
- анализ работы подсистем АСУ ТП;
- расчет и выдача значений уставок и коэффициентов;
- диагностирование технологических ситуаций и состояния основного оборудования и оборудования УВС;
- обмен информацией с общестанционным вычислительным комплексом и другими подсистемами АСУ ТП энергоблока.
Структура УВС
В состав УВС "Комплекс-Титан 2", структурная схема которой представлена на рис.2, входят четыре специфицированных вычислительных комплекса (СВК) СМ-2М, два вычислительных комплекса CM-I634, три комплекса связи с объектом (КСО) М-64 и шесть комплексов связи с оперативным персоналом (РМОТ).
СВК СМ-2М образует единую многомашинную вычислительную систему, выполняющую расчетные и логические задачи и задачи управления РМОТ и КСО; CM-I634 предназначены для увеличения возможностей подключения к СВК СМ-2М систем АСУ ТП и для связи с верхним уровнем управления; РМОТ - для организации рабочих мест операторов-технологов, оператора УВС и рабочего места заместителя начальника смены; КСО - для ввода и предварительной обработки информации, поступающей от датчиков технологического объекта управления.
Для целей автоматического и дистанционного управления применены унифицированный комплекс технических средств (УКТС) и устройства логического управления второго уровня ФГУ-УЛУ-2 ЭВМ.
УКТС является нижним уровнем АСУ ТП и обеспечивает прием команд от оператора или от автоматических устройств более высокого уровня, их обработку и выдачу команд на исполнительные органы, а также прием информации о положении объектов управления и выдачу этой информации в другие подсистемы АСУ ТП.
УКТС реализует следующие функции дискретного управления: дистанционного управления, технологических защит и блокировок, технологической сигнализации.
Подсистема автоматического регулирования решена на аппаратуре "Каскад-2", выполненной на микроэлектронной элементной базе в приборном исполнении. В качестве основных источников информации использованы первичные преобразователи типа"Сапфир-22" с тензочувствительными элементами.
Субкомплекс видеотерминальный для компоновки рабочих мест операторов-технологов РМОТ-02-03 (СМП 1634.7801.03)_
Субкомплекс видеотерминальный для компоновки рабочих мест операторов-технологов РМОТ-02-ОЗ (рис.5 и 6) предназначен для использования в качестве основного средства общения оператора-технолога со специализированным вычислительным комплексом в АСУ ТП АЭС, при этом:
I. По вызову оператора-технолога обеспечивается представление на экранах:
- мнемосхем объекта управления или их фрагментов с индикацией значений параметров, представленных на данном фрагменте;
- мозаичных изображений (картограмм) объекта, например зоны реактора;
- графиков изменения значений параметров;
- текущего значения параметра, технологических границ контроля, периода опроса и констант обработки.

Анализируя традиционные средства контроля, управления и диагностики. используемые на блочных пультах АЭС и в помещениях АСУ TII. отметим следующие серьезные недостатки:
1. Важные задачи, вытекающие, в частности, из требований МАГАТЭ, либо вообще не решаются, либо решаются путем ввода дополнительных систем, расположенных вне рабочей зоны операторов-технологов. К ним. в частности, относятся системы представления параметров безопасности, внедренные зарубежными фирмами в рамках безвозмездной помощи на некоторых АЭС (Калининской, Нововоронежской и других), а также разнообразные системы информационной поддержки, вибродиагностики и другие.
2. Состояние средств АСУ TII контролируется в основном вручную. Сигнализация только некоторых наиболее важных отказов (по системам управления защитами, автоматизированной системе контроля нейтронного потока и др.) предусмотрена на блочном пульте. Непрерывный централизованный контроль оборудования АСУ ТП отсутствует.
3. Временные задержки в существующих IIBC составляют более 5 секунд, что не соответствует современным требованиям - не более 2.5 секунд от измерения до отображения.
4. Существующие И ВС не обеспечивают непрерывный режим работы в течение всего срока эксплуатации АЭС. что недопустимо для управляющих систем.
5. В традиционных АСУ ТП только часть информации сохраняется в электронной форме. Наиболее важные параметры регистрируются самописцами и операторами-технологами, в функции которых входят визуальное считывание показаний приборов и запись в журналах.

Централизация информации на традиционных блочных пультах происходит только в информационно-вычислительных системах (ИВС), примерами которых являются ТИТАН и система внутриреакторного контроля (СВРК). Управление оборудованием АЭС при помощи традиционных ИВС не предусмотрено.
Система ТИТАН является основной информационной системой, которая через устройства связи с объектом получает данные о состоянии энергоблока, записывает их в архив на магнитную ленту и отображает обработанную информацию на широкоформатных дисплеях, размещенных на блочном пульте для операторов-технологов реакторного и турбинного отделений. При помощи функциональной клавиатуры операторы-технологи АЭС вызывают на экраны дисплеев электронные фрагменты технологических подсистем и контролируют ход технологического процесса в реальном времени. Дополнительно по заказу, операторы-технологи могут получать распечатки протоколов текущих событий, в которых содержатся значения аварийной и предупредительной сигнализации и данные о переключениях оборудования.

Эта система, передовая для своего времени (70-е годы), используется до сих пор. Однако технические средства и программное обеспечение, при помощи которых она была создана, не способны к модификации и адаптации к современному состоянию вычислительной техники, новым требованиям и задачам. Поэтому системы ТИТАН и СВРК не реконструируются, а заменяются полностью. Это приводит к значительным экономическим издержкам на отечественных и зарубежных АЭС, что подрывает престиж отечественной атомной промышленности.
СВРК предназначена для внутриреакторного контроля и является примером сложной системы с точки зрения заложенных в нее алгоритмов обработки информации. Ее дисплеи расположены на блочном пульте в зоне видимости оператора-технолога реакторного отделения. Дисплеи систем ТИТАН и СВРК аналогичны по конструкции, но не являются взаимозаменяемыми: информацию по технологическим системам и активной зоне нельзя вывести на один дисплей. Это обстоятельство усложняет работу оператора-технолога и является одним из недостатков традиционных пультов АЭС с реакторами ВВЭР-1000. Для новых систем требуется решить проблему интеграции информации из разных источников так, чтобы оператор-технолог мог сконцентрировать необходимую ему информацию на одном дисплее независимо от того, в какой подсистеме АСУ ТП она регистрируется.
Был проведен анализ особенностей АЭС с реакторами ВВЭР-1000, влияющих на выбор структуры и функций СВБУ. К ним, в частности, относятся:
- непрерывность технологического процесса;
- сложность и многообразие применяемого технологического оборудования - большое количество запорной и регулирующей арматуры, механизмов и агрегатов;
- значительное разнообразие измеряемых параметров;
- высокая стоимость простоя энергоблока, негативные экономические последствия от невыполнения системой автоматизации возлагаемых на нее задач;
- наличие как быстропротекающих, так и инерционных ядерно-физических и тепловых процессов, контролируемых как традиционными средствами, так и при помощи специализированных вычислительных программ;
- сложная структура АСУ ТП, включающая в себя большое количество систем, разрабатываемых различными организациями на основе разнородных программных и технических средств;
- использование в АСУ ТП преимущественно современных цифровых устройств автоматики, обладающих развитыми средствами самодиагностики;
- централизация информации о состоянии технологического объекта управления (ТОУ) и АСУ ТП, вырабатываемой всеми системами АСУ ТП, и формирование команд дистанционного управления средствами вычислительной техники;
- наличие связей АСУ ТП энергоблока с АСУ АЭС и другими АСУ.

На основе анализа особенностей методов управления АЭС с реакторами ВВЭР-IOOO было показано, что СВБУ должна получать информацию о состоянии ТОУ и элементов программно-технического комплекса (НТК) АСУ ТП от всех систем АСУ TП без исключения.
Также было показано, что СВБУ должна передавать команды управления не всем, а только следующим системам АСУ ТП:
- системе автоматической противопожарной защиты (САППЗ);
- системе контроля и управления оборудованием нормальной эксплуатации (НЭ) реакторного отделения (СКУ РО);
- системе контроля и управления оборудованием специальной водоочистки (СКУ СВО);
- системе контроля и управления вентиляционным оборудованием (СКУ В);
- системе контроля и управления турбинным отделением (СКУ ТО);
- системе контроля и управления вспомогательным оборудованием турбогенератора (СКУ ТУ);
- системе радиационного контроля (СРК).
Для формулировки автоматизируемых функций и задач СВБУ была построена следующая информационная модель, отражающая способы управления объектом с участием СВБУ.
Информационная модель СВБУ включает в себя автоматизированные рабочие места (АРМ) на блочном пульте управления (БПУ), резервном пульте управления (РНУ), в цехе тепловой автоматики и измерений (ТАИ). На рис.1 представлен состав АРМ




Для решения задачи построения СВБУ, удовлетворяющей всем необходимым требованиям, предложена новая информационная технология, реализованная в форме информационно-управляющей вычислительной системы (ИУВС), которая изображена на рис. 2. Архитектура ИУВС включает в себя две локальные вычислительные сети (ЛВС), обозначенные на рисунке как ЛВСО (основная) и ЛВСР (резервная), посредством которых элементы ИУВС обмениваются информацией между собой.
В состав ИУВС входят два сервера (СО и СР ), N рабочих станций (РС1, ..., РСN,) предназначенных для контроля и управления АЭС; М дублированных шлюзовых компьютеров (Ш1О, Ш1Р, ШМО, ШМР),
при помощи которых ИУВС присоединяется к другим подсистемам АСУ ТП, и рабочие станции администрирования программных и технических средств (АТПС), обозначенные на рис. 2 как РСОАТПС (основная) и РСРАТПС(резервная).



Рис. 2 Обобщенная структура информационно-управляющей вычислительной системы.


13EMBED Unknown1415

Рис. Двухдисплейная рабочая станция РС-2.

1 – мониторный кожух
2 – монитор
3 – столешница
4 – МПКУ
5 – клавиатура
6 – передняя дверь
7 – тумба
8 – крышка технологического отверстия
9 – манипулятор
10 – цоколь


В предложенной информационной технологии общий алгоритм функционирования ИУВС должен осуществлять обработку четырех информационных потоков: потока сигналов контроля состояния АЭС, потока команд управления оборудованием АЭС, потока сигналов диагностики ИУВС и потока команд управления
ИУВС.
Поток сигналов контроля формируется в системе низовой автоматики, которая в АСУ ТП АЭС разбита на подсистемы, связанные с управлением определенными технологическими подсистемами. На рис. 2 эти подсистемы АСУ ТП пронумерованы от
1 до М.
Структура потока от каждой подсистемы АСУ ТП содержит значения аналоговых и дискретных сигналов, которые циклически передаются в шлюзовые компьютеры. С учетом большого количества сигналов эти потоки суммарно могут составлять весьма большую величину - до нескольких тысяч в секунду.
Функция шлюзовых компьютеров (шлюзов) состоит в первичном сжатии этих потоков. Для этого применяется алгоритм апертурной фильтрации. Он состоит в том, что каждое последующее значение сигнала сравнивается с предыдущим и проходит через фильтр только в том случае, если их разница составляет определенную величину (апертуру).
Выполненные расчеты и проведенные эксперименты показали, что первичное сжатие способно не менее чем на 70% сократить поток аналоговых сигналов, в 100 раз сократить поток дискретных сигналов, которые формируются на основе данных теплотехнического контроля, и более чем в миллион раз сократить поток сигналов диагностики оборудования АСУ ТП.
Далее сжатый поток данных от шлюзов должен поступать в серверы, которые выполняют функции архивирования и сортировки информации по ее назначению. Информация разделяется на аналоговые параметры, параметры, характеризующие состояние технологического оборудования, на сигнализацию и на вспомогательные информационные сигналы. В частности, на основе значений троированных датчиков формируется одно значение аналогового параметра; на основе нескольких десятков дискретных параметров, характеризующих состояние механизмов, формируются специальные сообщения о состоянии механизма; из полного списка дискретных сигналов, формируемых алгоритмами АСУ ТП, вычленяется аварийная и предупредительная сигнализация и т. д. В результате в серверах происходит значительное уплотнение информации, которая далее поступает на рабочие станции (РС).
Проведенные расчеты и эксперименты показали, что в серверах можно достичь сжатия информации в несколько раз для аналоговых и в десятки раз для дискретных сигналов.
В функции РС входит отображение поступающей информации в сжатой проблемно-ориентированной форме, которая зависит от решаемых операторами АЭС задач и той роли, которую разработчики АСУ ТП назначают каждой из рабочих станций, каждому дисплею и каждому компьютерному окну. Таким образом, на заключительной стадии обработки данных в РС для решения задачи их сжатия предложен полуавтоматический способ с участием человека. При этом в функции РС входит представление информации различными способами, среди которых:
- функционально-ориентированные мнемосхемы, содержащие тщательно отобранную информацию, необходимую для выполнения технологических инструкций;
- обобщенные мнемосхемы, содержащие основные параметры АЭС, групповую и обобщенную сигнализацию, при помощи которых операторы имеют возможность оценивать общее состояние АЭС;
- протокол текущих событий, в котором представлена сигнализация, с возможностью селекции сообщений по многим признакам - по времени, по важности, по оборудованию, по техническим подсистемам;
- прочие способы отображения детальной информации: графики, гистограммы, цифровые индикаторы, таблицы и т. п.
В обязанности оператора предлагается оставить навигацию и выбор нужных способов представления информации в зависимости от ситуации и решаемых задач.
Проведенные исследования с применением компьютерных моделей показали, что предложенный полуавтоматический способ решения задачи сжатия информации на РС эффективен и позволяет создавать конфигурации способов представления информации, достаточные для решения основных задач управления большими техническими системами типа АЭС.
В предложенном общем алгоритме обратный поток команд управления оборудованием начинается на рабочих станциях. Затем команды поступают в серверы и далее через шлюзы передаются для исполнения в соответствующие подсистемы АСУ ТП.
Для реализации управления оборудованием и автоматикой предложено использовать специальные всплывающие окна, которые позволяют вводить команды управления однотипными способами.
Проведенные исследования с применением компьютерных моделей показали, что предложенный способ управления достаточен для организации управления всеми видами технологического оборудования.
В предложенном общем алгоритме поток сигналов о состоянии типовой ИУВС формируется во всех элементах, представленных на рис. 2. Он содержит сигналы о состоянии средств вычислительной техники и программного обеспечения, в частности: размер свободной памяти, сетевая загрузка, точность синхронизации времени, сигналы о старте/останове программ и др. Кроме того, в поток входит сигнализация о неисправностях технических средств и несанкционированных нарушениях целостности технических и
программных средств. Поток поступает в резервированные
компьютеры РСО АТПС и РСР АТПС, где информация структурируется и отображается для использования эксплуатационным персоналом.
В предложенном общем алгоритме поток сигналов управления
типовой ИУВС формируется в РС атпс и РС атпс и состоит из двух составляющих. Первая представляет собой сигналы синхронизации единого времени для всех элементов вычислительной техники, изображенных на рис. 2. Был предложен механизм синхронизации времени по протоколу NTP.
Вторая составляющая потока сигналов управления содержит команды эксплуатационного персонала по управлению элементами ИУВС. К ним, в частности, относятся команды на старт/останов программ, переключение на работу с основными/резервирующими элементами и др.
Проведенный анализ показал, что наличие специализированных средств контроля и управления (РСО атпс и РСР атпс) дает возможность вовремя, т. е. с задержкой не более одной минуты, обнаруживать неисправности и своевременно производить ремонт. Это обеспечивает теоретически бесконечный срок безостановочной работы системы.
Было предложено обеспечивать требования к защите от несанкционированного доступа конструкцией технических средств (наличие замков с датчиками, специальных программ слежения и охраны данных) и наличием специализированных средств оперативного контроля (РСО атпс и РСР атпс), на которые с минимальной задержкой (несколько секунд) выводится сигнализация о несанкционированных проникновениях, что позволяет оперативно принимать необходимые меры.
На основе новой информационной технологии, функций и задач СВБУ, сформулированных во второй главе, была разработана и обоснована структура СВБУ.
СВБУ представляет собой распределенную вычислительную систему, составленную из подсистем, каждая из которых реализована на основе технологии ИУВС.
СВБУ включает в себя следующие функциональные подсистемы:
- информационную подсистему начальника смены (ИНС);
- информационно-управляющую подсистему РО оперативного контура управления БПУ (ИУРО);
- информационно-управляющую подсистему ТО оперативного контура управления БПУ (ИУТО);
- информационно-управляющую подсистему неоперативного контура управления БПУ (ИУН);
- информационно-управляющую подсистему НЭ РПУ
(ИУРПУ);
- подсистему администрирования технических и программных средств (АТПС) СВБУ.
Структурная схема СВБУ представлена на рис. 3, на которой обозначено:
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
ИНС включает в свой состав РС JCV10 и предназначена для:
- получения необходимой информации начальником смены блока;
- работы специально уполномоченного персонала в аварийных режимах работы блока;
- получения необходимой информации оперативным персоналом смены, заступающей на дежурство.
ИУРО оперативного контура управления БПУ включает в свой состав РС JCY10, JCY20, JCY30, JCZ10, JCZ20 и предназначена для осуществления со стороны СИУР контроля и управления технологическими системами нормальной эксплуатации реакторного отделения. На средства отображения данной подсистемы выводится также информация по системам безопасности. Дистанционное управление системами безопасности через данную подсистему не предусматривается.
ИУТО оперативного контура управления БПУ включает в себя РС JCS10, JCS20 и предназначена для осуществления со стороны СИУТ контроля и управления системами, участвующими в основном технологическом процессе выработки электроэнергии.
ИУН включает в свой состав РС JCU10, JCU 20, JCU 30,
JCU40, JCU 50 и реализует информационные и управляющие функции следующих систем:
- вентиляции;
- спецводоочистки;
- радиационного контроля;
- пожарной сигнализации и автоматики;
- вспомогательных подсистем реакторного и турбинного отделения.
ИУРПУ (JCR10) предназначена для отображения состояния и управления ограниченным набором параметров и оборудования РО и ТО нормальной эксплуатации в условиях, когда управление с АРМ БПУ невозможно.
АТПС СВБУ (JCV 30, JCV40) предназначена для реализации сервисных и вспомогательных функций СВБУ. Эти функции предназначены для обеспечения нормальной работы самой АСУ ТП, а также для быстрого обнаружения неисправностей в технических и программных средствах и их ликвидации.
На основе анализа особенностей АСУ ТП АЭС с реакторами ВВЭР-1000 были сформулированы основные требования к реализации СВБУ:
Количество сигналов: 8 тыс. аналоговых; 100 тыс
дискретных, 360000 диагностических.
Надежность:
o Средняя наработка на отказ подсистемы (ТСР) - не
менее 10 5 часов, o Коэффициент неготовности подсистемы (Кнг) не
более 10-5.
Время обновления информации на экранах дисплеев и передачи команд управления не более 2-х секунд при потоке в 3 тыс. обновлений сигналов в секунду.
Гарантия 30 лет с учетом модернизаций технических средств.
Поддержка работы на русском и английском языках.
Общий упрощенный алгоритм функционирования серверов состоит в серии шагов, выполняемых циклически:
1) выдача шлюзам запросов на получение информации;
2) прием информации от шлюзов и ее обработка;
3) прием от РС запросов на получение информации и команд дистанционного управления;
4) передача информации РС, от которых получены запросы;
5) передача команд дистанционного управления в шлюзы;
6) поддержание единого времени.
При взаимодействии абонентов сети СВБУ был предложен и обоснован следующий основной принцип: все посылки в адрес абонента осуществляются только по его запросу/разрешению; на каждый запрос осуществляется только один акт передачи информации. Такой подход устраняет возможность стохастического накапливания посылок в буферах системы и их переполнения, исключает клинчевые ситуации в сети.
Структура технических средств СВБУ АСУ ТП АЭС.
Предложенный и реализованный комплекс технических средств (КТС) СВБУ представляет собой совокупность изделий, реализующих функции сервера, рабочей станции, коммутатора ЛВС, распределительных устройств ЛВС, линий связи ЛВС.
На основе анализа требований к техническим средствам, выполненных руководством атомной промышленности был сделан вывод о возможности и желательности разработки КТС СВБУ на платформе Compact PCI в России в Научно-исследовательском институте измерительных систем им. Ю.Е. Cедакова (г. Нижний Новгород). КТС был успешно разработан и в настоящее время выпускается как серийное изделие.
На основе новой информационной технологии ИУВС, описание которой приводится во второй главе был спроектирован, разработан, испытан, прошел этапы верификации и валидации комплекс программ СВБУ.
Разработанный комплекс программ СВБУ представляет собой совокупность программных средств, обеспечивающих реализацию ее целей, функций и задач. Дополнительно специфика условий применения программного обеспечения на АЭС требует, чтобы ПО было разработано с соблюдением международных требований к качеству процесса разработки.
В состав разработанного ПО входят следующие элементы:
1) операционная система (ОС);
2) ПО защиты информации от несанкционированного доступа;
3) прикладное программное обеспечение (ППО);
4) тестовое программное обеспечение.
Выбор операционной системы (ОС) для СВБУ был проведен на основе рекомендации европейской комиссии по ядерной энергетике.
Согласно этим рекомендациям был произведен анализ функциональных и эксплуатационных характеристик, которым должна удовлетворять ОС как программный продукт, получаемый в "готовом виде" (Pre-existing software).
Основные требования к ОС СВБУ были сформулированы следующим образом:
1) отсутствие лицензионных ограничений на поставку;
2) наличие возможности модификации и верификации;
3) поддержка основными производителями технических средств
и ПО.
На основе анализа требований и ситуации на рынке ОС были сделаны выводы о невозможности применения готовых ОС и о необходимости и возможности разработки новой ОС на базе ПО с открытым кодом семейств LINUX и UNIX. Такая ОС была разработана в Институте проблем управления им. В.А.Трапезникова РАН. В настоящее время эта ОС, носящая имя LICS, успешно применяется на отечественных и зарубежных АЭС.
В состав ПО защиты информации от несанкционированного доступа было включено два комплекса программ:
- программные агенты для контроля состояния вычислительных процессов;
- программы централизованного контроля доступа. Программные агенты являются универсальными комплексами
программ, которые инсталлируются на все РС и серверы.
Программы централизованного контроля доступа предназначены для работы на РС системы АТПС.
Разработанное ППО СВБУ состоит из комплексов программ, каждый из которых предназначен для работы с РС или сервером определенной подсистемы СВБУ. Во всех РС одной подсистемы СВБУ используется один и тот же комплекс ППО, так же как и для серверов одной подсистемы СВБУ. Таким образом, для одной подсистемы СВБУ используется только два типа комплексов ППО: ППО для РС и ППО для серверов. Каждый комплекс ППО представляет собой совокупность рабочего программного обеспечения (РПО) и рабочей базы данных (РБД), генерируемой инструментальной системой "Конфигуратор".
Для каждой подсистемы СВБУ РПО реализовано в виде двух универсальных субкомплексов: субкомплекса программного обеспечения сервера (ПОС), единого для всех серверов, и субкомплекса программного обеспечения рабочей станции (ПОРС), единого для всех рабочих станций. Для обмена сигналами со смежными подсистемами АСУ ТП разработано специализированное интерфейсное ПО (ИПО), которое интегрируется в состав смежных подсистем.
Человеко-машинный интерфейс (ЧМИ), реализованный в СВБУ АСУ ТП АЭС решает задачу обеспечения операторов-технологов и другого эксплуатационного персонала АЭС эффективными средствами контроля, управления и диагностики параметров энергоблока и АСУ ТП.
Впервые был предложен ЧМИ АСУ ТП АЭС с реакторами ВВЭР-1000, основанный на применении средств вычислительной техники. За исключением ограниченного набора индивидуальных ключей управления и цифровых индикаторов в аварийных системах энергоблока, компьютерный ЧМИ СВБУ охватывает все посты и рабочие места энергоблока, при помощи которых осуществляется его управление.
На основе анализа отечественной и зарубежной литературы, особенностей управления энергоблоками с реакторами ВВЭР-1000, норм и стандартов в атомной промышленности, результатов компьютерного моделирования был отобран ограниченный, достаточный для организации контроля, управления и диагностики энергоблока набор элементов ЧМИ:

· мнемосхема;

· диаграмма;

· график статический - статическая кривая значений параметра, шкала значений параметра, дополнительная шкала (возможно временная);

· график динамический - динамическая кривая значений параметра, шкала значений параметра, временная шкала;

· таблица - табулированная алфавитно-цифровая информация с явно выделенными границами полей;

· гипертекст - форматированная текстовая информация, рисунки, схемы, фотографии;

· текст - форматированная алфавитно-цифровая информация;

· текст-меню - форматированная алфавитно-цифровая информация;

· падающее меню - кнопки с текстовыми надписями, разворачивающиеся по мере воздействия на них;

· кнопочное меню - кнопки с текстовыми надписями;

· диалог - поля ввода текстовой информации с клавиатуры, поля вывода текстовой информации, кнопки с надписями, индикаторы положения.
В ЧМИ СВБУ был применен многооконный интерфейс. Он включает несколько десятков окон, каждое из которых выполняет одну из функций, к которым в частности относятся:
отображение состояния параметров технологического процесса и технологического оборудования:
технологическая сигнализация;
ввод управляющих воздействий;
информационная поддержка;
навигация - организация доступа к нужным окнам, открытии закрытие, и другие действия.




Функциональное описание главных регуляторов АЭС
1 Общие требования
Главными регуляторами станции являются регуляторы, которые имеют непосредственное влияние на производство энергии на АЭС.
К основным параметрам регулирования относятся:
мощность реактора;
давление пара во втором контуре;
давление в первом контуре;
уровень в компенсаторе давления;
уровень в парогенераторе;
скорость разогрева-расхолаживания первого контура и компенсатора давления.
Основные системы регулирования управляют мощностью реактора и турбины таким образом, чтобы при желаемом уровне мощности первый и второй контуры работали в энергетическом и материальном балансе.
Системы автоматического регулирования должны обеспечить поддержание основных технологических параметров в допустимых пределах или изменения их по определенному (заданному) закону во всех возможных режимах нормальной эксплуатации и режимах отклонений от нормальных условий эксплуатации без возникновения автоколебаний за счет взаимодействия регуляторов в процессе регулирования.
Должна быть предусмотрена возможность ручного регулирования параметров. При этом переход с автоматического регулирования на ручное и обратно не должен нарушать ход технологического процесса.
2 Принципы регулирования
Существуют два способа регулирования мощности станции:
электрическая мощность регулируется системой регулирования турбины, а технологические параметры регулируются системой регулирования реактора, т.е. режим следования реактора за турбиной;
мощность реактора регулируется регулятором нейтронной мощности, а технологические параметры регулируются системой регулирования турбины, т.е. режим следования турбины за реактором.
Первый режим используется для нормальной работы на мощности, а второй режим в основном при малых уровнях мощности во время пуска и останова.
3 Функциональное описание главных регуляторов станции
Система регулирования мощности реактора предназначена для работы в следующих режимах:
программа поддержания постоянного давления в главном паровом коллекторе (режим “Т”);
программа поддержания постоянной величины плотности нейтронного потока (режим “Н”).
Базовыми режимами работы АРМР и системы управления турбиной являются режим поддержания теплотехнического параметра АРМР – давления пара в ГПК (режим “Т”) и режим поддержания мощности турбины система управления турбиной в соответствии с заданным значением (режим “РМ”), соответственно.
При возникновении требований на переход АРМР из режима “Т” в режим поддержания мощности реактора (режим “Н”) (срабатывание ПЗ, превышение заданного значения нейтронной мощности) АРМР переходит в режим “Н”, при этом и система управления турбиной автоматически переходит в режим поддержания заданного давления пара в ГПК (режим “РД”) после поступления соответствующего сигнала из АРМР. После снятия требований на работу АРМР в режиме “Н” и стабилизации мощности реактора на заданном уровне с учетом погрешности регулирования, АРМР переходит в режим “Т”, что автоматически вызывает переход системы управления турбиной в режим “РМ” после поступления соответствующего сигнала из АРМР.
При одновременном возникновении требований на работу системы управления турбиной в режиме “РД” (поступает сигнал от АРМР о переходе в режим “Н”) и в режиме “РМ” (изменение заданного значения мощности турбогенератора) система управления турбиной остается в режиме “РД”
Все необходимые параметры, управляющие алгоритмы и режимы должны быть определены и уточнены в соответствии с результатами динамических расчетов.


Основными управляемыми и регулируемыми величинами ядерного энергетического блока при нормальных режимах эксплуатации являются:* электрическая мощность NЭ, давление пара в контуре Рп, уровень воды в барабане парогенератора hб, температура теплоносителя на входе в реактор
·ВХ и на выходе из него
·ВЫХ, плотность потока нейтронов в A3 реактора п.
Для возможности целенаправленного воздействия на эти величины энергоблок снабжается следующими регулирующими органами: подвижными регулирующими стержнями, перемещение которых
·CT меняет плотность потока нейтронов (а следовательно, мощность реактора); регулирующими клапанами на линии подвода питательной воды к ПГ (регулирующее воздействие
·пв); задатчиком частоты (синхронизатором) турбогенератора, воздействием на который |
·сх можно осуществлять перемещение клапанов на линии подвода пара к турбине
·п.





Рис. 1.22

Построение этой схемы ничем не отличается от уже рассмотренной выше схемы управления мощностью энергоблока ТЭС (см. рис. 1.13, в). При появлении отклонения мощности энергоблока N3 от заданного значения Nl регулятор мощности ВМ меняет задание цсх регулятору РТБ, что вызывает соответствующее перемещение клапанов ц.п на линии подвода пара к турбине. Давление пара перед турбиной стабилизируется на заданном значении регулятором РД, который при необходимости меняет задание регулятору РН плотности потока нейтронов п. В свою очередь, этот регулятор соответствующим образом перемещает регулирующие стержни реактора цсх (подобно тому, как в схеме регулирования на рис. 1.13 РД меняет задание регулятору РТ, перемещающему клапан на подводе топлива в топку котла).
Задание регулятору РМ в рассматриваемой системе может быть либо постоянным, либо меняться системным регулятором частоты (подобно тому, как это имеет место в системе на рис. 1.13, в). Однако в настоящее время по некоторым техническим и экономическим соображениям энергоблоки АЭС обычно несут постоянную базовую нагрузку.

В качестве примера конкретных реализаций схем рассмотрим две модификации регуляторов мощности, разработанные ВНИИЭМ для реакторов типа ВВЭР. На рис. 6-3,а показана схема одного канала регулятора АРМ-4, установленного на блоках Кольской, Армянской и некоторых других АЭС. Сигнал давления пара второго контура от манометра 1 поступает в измерительный блок 2, где сравнивается с сигналом заданного давления от задатчика 3. Сигнал разбаланса подается в усилитель 7 непосредственно и через интегратор 4. Кроме того, на усилитель 7 через логарифматор 6 поступает сигнал тока ионизационных камер 5. Наличие сигнала на выходе усилителя 7 вызывает срабатывание релейного блока 8, выход которого при совпадении сигналов величине отклонения, так и интегралу от отклонения (ПИ-закон регулирования). При равенстве действительного давления заданному происходит замыкание ключа 9 и на интегратор 4 подается обратная связь с выхода сумматора 7; двух независимых каналов управляет регулирующими органами реактора через мажоритарную схему. В случае отклонения давления от заданного изменение мощности реактора благодаря наличию интегратора пропорционально как поэтому медленные изменения тока камер компенсируются сигналом интегратора 4, и регулятор реагирует только на быстрые изменения мощности, формируя фактически сигнал по относительной скорости ее нарастания. В случае необходимости ограничения мощности (отключения одного из ГЦН) на усилитель 7 подается дополнительный сигнал от устройства ограничения мощности 11, при этом переключатель 10 отключает канал регулирования давления, и схема начинает работать как регулятор нейтронного потока, понижая мощность до допустимого уровня.


Рис. 6-3. Структурные схемы регуляторов мощности реакторов ВВЭР.
а регулятор АРМ-4; б регулятор АРМ-5.

На рис. 6-3,6 показана схема одного канала регулятора АРМ-5, установленного на АЭС Ловииза и намечаемого к установке на ряде других блоков. Сигнал отклонения давления пара второго контура от заданного формируется манометром /, измерительным блоком 2, задатчикам 3 и поступает в релейный блок 8, вырабатывающий сигнал на перемещение регулирующих органов. Одновременно на релейный блок 8 через усилитель 7 поступает сигнал от ионизационной камеры 5. Усилитель 7 охвачен отрицательной обратной связью через интегратор 4 и ключ 9, который размыкается при появлении сигнала («больше» или «меньше») на выходе блока 8. Сигналы с блока 8 вместе с сигналами других каналов поступают на мажоритарную схему. В описываемом регуляторе также приближенно реализуется ПИ-закон регулирования давления за счет введения обратной связи через объект и блоки 7 и 4, выполняющие роль реального дифференциатора. При отсутствии отклонения давления медленный дрейф тока камер, как и в предыдущей схеме, не вызывает срабатывания блока 8. Разгрузка реактора при аварийном отключении ГЦН осуществляется самостоятельным регулятором.


РЕГУЛЯТОРЫ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ТУРБИН

Центробежный регулятор частоты вращения.

Регулятор частоты вращения является первичным регулятором турбины. Он автоматически изменяет движущий момент турбины, воздействуя через регулирующий орган на впуск энергоносителя (пара, газа, воды). В качестве регулирующего органа тепловой турбины применяются регулирующие клапаны, а гидротурбины направляющий аппарат. У поворотно-лопастных гидротурбин два регулирующих органа: направляющий аппарат и лопасти рабочего колеса.
Первоначально, когда электростанции с небольшим количеством генераторов работали на изолированную нагрузку, первичный регулятор имел одно целевое назначение поддержание в заданных пределах частоты 114
вращения (угловой скорости) турбины и, следовательно, частоты переменного тока при колебаниях нагрузки. В современных энергосистемах первичный регулятор турбины является одним из основных элементов общей системы регулирования режима по частоте и активной мощности. Его целевое назначение расширилось помимо регулирования частоты он участвует в автоматическом перераспределении активных нагрузок между агрегатами. Старое название «регулятор скорости» используется до настоящего времени.


Рис. 2-5. Принципиальная схема центробежного регулятора частоты вращения. а с жесткой обратной связью; б с гибкой обратной связью.

Принципиальная схема простейшего центробежного регулятора частоты вращения с жесткой обратной связью показана на рис. 2-5,а. Нумерация функциональных элементов соответствует рис. 2-4.
Регулятор работает следующим образом. При изменении частоты вращения турбины Т, например, в сторону уменьшения центробежный маятник / перемещает муфту из А0 в положение А', а поршень золотникового усилителя 2 из среднего положения вниз. Масло под давлением начинает поступать в нижнюю полость гидравлического исполнительного механизма (ГИМ) 3, а из верхней полости идет на слив. Поршень ГИМ, перемещаясь, воздействует на регулирующий орган турбины, увеличивая впуск энергоносителя. Это регулирующее воздействие способствует увеличению частоты вращения, т. е. перемещению точек А и С рычага АВ из А' и С" вверх. Одновременно на перемещение точки С оказывает влияние перемещение поршня ГИМ благодаря жесткой обратной связи 4. Связь между перемещениями точек , В и С из исходного положения

Регулирование будет продолжаться до тех пор, пока поршень золотникового усилителя 2, а следовательно, и точка С не займут вновь нейтральное положение, при котором окна золотника закрыты, т. е. в установившемся режиме Можно принять, что , тогда условие установившегося режима (закон регулирования агрегата

где

- положительный коэффициент статизма.

Если отключить жесткую обратную связь , то по (2-23) однако регулирование будет неустойчивым, так как поршень золотника будет занимать нейтральное положение при отсутствии баланса мощностей турбины и нагрузки.
Для смещения характеристики регулирования частоты вращения (зависимости f от активной нагрузки) вдоль оси / служит механизм изменения частоты вращения МИЧВ. Перемещая с помощью МИЧВ точку М вверх (вручную или автоматически с использованием двигателя Д), воздействуют на поршень золотника, перемещая его вниз. Увеличение впуска энергоносителя приведет к увеличению частоты вращения при работе генератора на изолированную нагрузку. При работе генератора в энергосистеме (при неизменной частоте) с помощью МИЧВ можно изменять нагрузку агрегата в пределах его регулировочного диапазона.
Для астатического регулирования частоты применяют вместо жесткой гибкую обратную связь 4 (рис. 2-5,6), состоящую из гидравлического демпфера (цилиндр, заполненный маслом, с поршнем; верхняя и нижняя полости цилиндра сообщаются через трубку с малым регулируемым отверстием) и пружины, образующих так называемое изодромное устройство.
После изменения нагрузки турбины изодромное устройство в начале процесса регулирования ведет себя как жесткая обратная связь (поршень не может быстро переместиться в цилиндре демпфера), чем предотвращается перерегулирование. Затем под действием пружины, стремящейся вернуться в первоначальное недеформированное состояние, поршень постепенно перемещается, вытесняя масло из одной полости демпфера в другую. Процесс регулирования закончится тогда, когда поршень золотника и поршень демпфера займут первоначальное положение, т. е.
·С=0,
·В=0, а следовательно,
·А=0. Последнее свидетельствует о том, что частота вращения турбины вернулась к первоначальному значению.
Гибкая обратная связь может применяться вместе с жесткой обратной связью для улучшения качества процесса регулирования.

Функциональная схема регулятора частоты вращения.



Рис.2-4. Функциональная схема регулятора частоты вращения.

Применяемые в настоящее время регуляторы частоты вращения выполняются как регуляторы косвенного действия с гидравлическими усилителями и, несмотря на существенные конструктивные отличия, имеют одинаковую функциональную схему (рис. 2-4).
Регулятор содержит следующие функциональные
элементы:
измерительное устройство 1датчик отклонения частоты вращения агрегата от заданного значения, датчик отклонения частоты напряжения, ускорения или других параметров регулирования;
усилительно-преобразовательное устройство 2 магнитные и гидравлические усилители;
гидравлический исполнительный механизм ГИМ 3, воздействующий через регулирующий орган турбины Т "}ia изменение впуска энергоносителя;
устройство коррекции 4 жесткая и гибкая обратные связи по положению главного или вспомогательного ГИМ.
задающее устройство 5 механизм изменения частоты вращения МИЧВ (иначе механизм изменения скорости вращения МИСВ, числа оборотов МИЧО, механизм регулирования оборотов МРО, механизм управления турбиной МУТ).
К вспомогательным устройствам относятся: механизм ограничения открытия направляющего аппарата, механизм управления комбинатором поворотно-лопастной гидротурбины и др.
По роду используемых приборов различают следующие типы регуляторов частоты вращения:
центробежные, использующие в качестве датчика частоты вращения центробежный маятник;
гидродинамические, использующие в качестве датчика частоты вращения центробежный насос, создающий давление масла, зависящее от частоты вращения турбины; центробежные и гидродинамические регуляторы называют гидромеханическими;
электрогидравлические, использующие электрические элементы для построения измерительного устройства, предварительного усилителя, устройства коррекции и задающего устройства.
Система регулирования турбины базируется на ПТК, который именуется электронной частью системы регулирования турбины (ЭЧСР). ЭЧСР турбины предназначена для реализации заданных алгоритмов управления турбиной и формирования управляющих воздействий на устройства управления гидравлической части системы регулирования ЭЧСР.
ЭЧСР может работать в следующих режимах:
режим дистанционного управления механизмами изменения мощности;
режим автоматического регулирования частоты вращения, мощности, давления пара перед турбиной.
Каналы управления ЭЧСР образуют 2 группы:
медленнодействующий контур управления (время запаздывания формирования управляющего воздействия – не более 100мс);
быстродействующий контур управления (время запаздывания формирования управляющего воздействия – не более 20мс).
В медленнодействующем контуре управления реализованы алгоритмы регулирования и контроля:
частоты вращения ротора турбины;
мощности турбины;
давления пара перед турбиной;
положения клапанов греющего пара;
температуры пара после сепаратора-пароперегревателя.
С учетом передаточных функций электродвигателей, являющихся интеграторами, регуляторы реализуют пропорционально- интегральный закон регулирования.
Быстродействующий контур управления реализует алгоритмы, предотвращающие разгон турбины при отключении выключателя генератора, отключении энергоблока от энергосистемы и иных ситуациях, приводящих к резкому снижению нагрузки на турбину.
При штатной работе ЭЧСР может работать в двух основных режимах:
регулирование давления пара перед турбиной;
регулирование мощности.
Первый режим реализуется, если автоматический регулятор мощности реактора (АРМР) находится в режиме “Н”, второй – если он находится в режиме “Т”.
ЭЧСР реализуется на аппаратуре ТПТС 53. Обмен информацией со смежными подсистемами реализуется по системной шине и шине оперативного обмена. Информация, необходимая для СВБУ, передается по системной шине с указанием меток времени.

Конструктивное выполнение центробежных регуляторов для гидравлических и тепловых турбин различно. Для тепловых турбин усилие на выходе регулятора, управляющее клапанами впуска пара, сравнительно небольшое, и его удается обеспечить с помощью одного каскада гидроусилителя. В гидравлических турбинах эти усилия больше, поэтому применяются два и более каскадов гидравлических усилителей.


Регулирование уровня в корпусах реакторов, барабанах-сепараторах и парогенераторах барабанного типа

Система регулирования уровня в парогенераторе hб атомного энергоблока строится по тому же принципу, что и система регулирования в барабане котла (см. рис. 1.17).





Рис. 1.17

Система регулирования уровня в барабане котла. Применяемая в настоящее время схема регулирования уровня в барабанах котлов приведена на рис. 1 17, а. На вход регулятора уровня РУ подается взвешенная сумма (значения весовых коэффициентов устанавливаются в БФ и KB) сигналов, определяющих текущие значения уровня в барабане hб (0 (основной регулируемой величины), расхода питательной воды Gn.B (г) (вспомогательной переменной состояния) и расхода перегретого пара из котла Gn.n (t) (возмущающего воздействия). Таким образом, информационная структура (рис. 1:17, б) рассмотренной системы регулирования сочетает в себе структуру системы регулирования со вспомогательной переменной состояния (см. рис. 1.6, б) и системы с компенсацией возмущения (см. рис. 1.5). Назначение сигнала от вспомогательной переменной состояния здесь состоит в устранении влияния на уровень в барабане возмущений, идущих со стороны питательного клапана (самопроизвольного изменения расхода питательной воды, обусловленного изменением давления воды в питательной магистрали), назначение сигнала от возмущения устранить влияние на уровень изменения паровой нагрузки котла.
Для того, чтобы система работала без остаточной неравномерности, весовые коэффициенты БФ и KB подбираются таким образом, чтобы в установившихся режимах, когда GnB = Gn.n, их сигналы взаимно компенсировались.
Необходимость применения сравнительно сложной системы регулирования для такого, казалось бы, очень простого объекта, как барабан котла (ведь подобные функции выполнял уже регулятор Ползунова, показанный на рис. 1.8), обусловлена наличием в современных котлах высокого давления своеобразного эффекта «вскипания» уровня. Сущность этого явления состоит в следующем.
Пусть в какой-то момент времени регулятор турбины открывает клапан подвода пара к турбине, увеличивая расход перегретого пара из котла Gu,n. Это должно было бы привести к падению уровня воды в барабане котла, однако в действительности сначала уровень быстро возрастает («вскипает») и лишь спустя некоторое время начинает меняться в «правильном» направлении (уменьшаться). Объясняется это тем, что в экранных трубах и барабанах котлов высокого давления находится не вода, а пароводяная смесь, объем которой зависит от давления. Увеличение открытия клапана турбины приводит к немедленному падению давления над поверхностью испарения в барабане, объем пароводяной смеси увеличивается, что проявляется во временном увеличении уровня. Аналогичное явление, но в другом направлении происходит при уменьшении степени открытия клапана турбины.


Регулирование давления пара перед турбиной
' Регулирование давления пара осуществляется путем:
изменения расхода пара на турбину;
изменения генерации пара;
сброса пара в конденсаторы и другие сбросные устройства.

Первый способ регулирования может быть применен только при работе турбины на мощную энергосистему (частота которой практически не зависит от мощности, вырабатываемой данной турбиной) и осуществляется путем воздействия регулятора давления на синхронизатор турбины.
. Действительно, если, например, увеличивается частота сети, регулятор частоты вращения турбины прикрывает регулирующие клапаны, вызывая тем самым уменьшение расхода пара на турбину и ее мощности. Отсутствие баланса между генерацией пара и его потреблением приведет к увеличению давления пара перед турбиной, что заставит регулятор давления перемещать синхронизатор турбины в сторону, соответствующую открытию клапанов, возвращая расход пара и мощность турбины к прежнему значению, но уже при новой частоте. С другой стороны, например, при увеличении мощности реактора, а следовательно, и генерации пара будет происходить повышение давления, и регулятор давления будет с помощью синхронизатора открывать клапаны турбины при той же частоте системы.
Схема с воздействием регулятора давления на синхронизатор турбины применяется на станциях, работающих как в базисном так и в регулирующем режимах. В последнем случае задание регулятору мощности реактора должно меняться, в зависимости от частоты сети и требуемой мощности блока.
Другим способом поддержания давления, применимым только в регулирующем режиме работы блока, является воздействие регулятора давления на задатчик мощности (или непосредственно на регулирующие органы) реактора. В этом случае изменение частоты сети и связанное с ним перемещение регулирующих клапанов также приводят к изменению давления, но регулятор меняет не потребление, а генерацию пара, приводя ее к новому значению, требуемому турбиной.
Регулирование давления путем сброса пара в специальные пароприемные устройства является наиболее быстродействующим способом и широко применяется на АЭС в аварийных ситуациях (срабатывание стопорных клапанов одной из турбин, отключение турбогенераторов блока от сети). Обычно предусматривается несколько устройств, принимающих пар в этих режимах (конденсаторы турбин, технологические конденсаторы, барботеры), кроме того, возможен сброс пара в атмосферу. Нормально клапаны, управляющие сбросом пара, закрыты и открываются либо при появлении сигнала об аварийной ситуации, либо при повышении давления перед турбиной. С помощью этого метода можно отрабатывать возмущения, связанные лишь со снижением потребления пара. Для отработки возмущений, связанных с увеличением потребления пара при постоянной мощности реактора, необходимо иметь постоянный сброс пара, уменьшая который можно добиться быстрого увеличения мощности турбины. Из-за своей очевидной неэкономичности этот способ не нашел широкого применения на АЭС и может быть рекомендован лишь в исключительных случаях, например если в связи с необходимостью регулирования частоты системы к мобильности АЭС предъявляются дополнительные требования, превосходящие возможности реактора.
Одним из способов построения системы регулирования давления сбросом пара является установка нескольких астатических регуляторов, каждый из которых управляет своим клапаном, изменяющим сброс в одно из пароприемных устройств. Заданное значение давления этих регуляторов должно быть выше значения, поддерживаемого основным регулятором, с тем, чтобы при нормальной работе клапаны сброса были бы закрыты. Если существует несколько устройств, которые должны включаться в определенной последовательности, уставки управляющих ими регуляторов различаются (регуляторы, включающиеся раньше, имеют более низкое заданное значение давления). Разность между уставками должна быть такой, чтобы их последовательность сохранялась при возможных погрешностях датчиков и регуляторов (1,5 3,0 кгс/см2). При большом уменьшении нагрузки сначала будет работать основной регулятор; в случае, если повышение давления достигнет уставки первого регулятора сброса (например, в конденсатор турбины), он включится в работу. Дальнейшее повышение давления вызовет срабатывание второго регулятора сброса (например, в барботер). Если не считать начального периода, сброс пара через клапан второго регулятора будет происходить только в том случае, если полностью открытый клапан первого регулятора не может пропустить всего необходимого расхода. Недостатками такой схемы могут считаться относительно высокая уставка срабатывания последующих регуляторов и некоторая задержка в открытии сбросных клапанов, так как они начинают открываться только после того, как давление поднимается на значительную величину спустя некоторое время после сброса нагрузки.


Цифровые регуляторы, входящие в состав СЦАР, обеспечивают поддержание регулируемых параметров в заданных пределах и с заданной степенью точности (в соответствии с техническими требованиями к алгоритмическому обеспечению СЦАР) с учетом сложной обратной связи регуляторов, в состав которой входят влияющие на объект регулирования другие технологические параметры, не являющиеся регулируемыми.

Объектами регулирования СЦАР являются технологические системы, оборудование в объеме машзала турбоустановки К-1000-60/1500-2.
К таким объектам относятся:
- собственно турбоустановка (ЭГСР - регулирование частоты вращения и мощности турбоустановки, СЦАР давления пара в концевых уплотнениях ЦВД и ЦНД);
- паропроводы свежего пара (СЦАР предтолчкового прогрева паропроводов и СРК - регулирование скорости прогрева металла трубопроводов свежего пара и СРК турбоустановки);
- сепараторы - пароперегреватели (СЦАР прогрева СПП - регулирование скорости прогрева металла СПП, давления греющего пара на вторую ступень СПП, температуры пара в ресиверах за СПП);
- оборудование БРУ-К (СЦАР давления пара в ГПК - регулирование давления пара в ГПК при пуске и останове энергоблока, программное изменение давление пара в ГПК при разогреве и расхолаживании энергоблока, предотвращение повышения давления пара в ГПК за допустимые пределы при сбросах нагрузки турбины);
- система паропроводов собственных нужд (СЦАР давления пара в КСН и питания ТПН, СЦАР давления пара в деаэраторах турбины);
- тракт основного конденсата (регулирование уровня конденсата в конденсаторах турбины, регулирование уровней конденсата в деаэраторных баках, регулирование давления конденсата на напоре КЭН 2-ой ступени);
- турбопитательные насосы (СЦАР разворота, частоты вращения, производительности и максимального расхода ТПН);
- система питательной воды (СЦАР уровней ПВ в парогенераторах);
- подогреватели высокого давления (СЦАР прогрева и уровней КГП в ПВД);
- подогреватели низкого давления (СЦАР уровней КГП в ПНД-1,3,4);
- конденсатосборники СПП (СЦАР уровней КГП в конденсатосборниках первой и второй ступеней СПП);
- сепаратосборники СПП (СЦАР уровней сепарата в сепаратосборниках СПП).


3.4. Устройства и работа системы автоматического регулирования
Реализация систем регулирования технологическими параметрами в соответствии с данной структурной схемой обеспечивает регулирование «до себя» и «после себя» для статических и астатических объектов регулирования по П-. ПИ-. ПИД- законам управления с учетом охвата исполнительного механизма отрицательной обратной связью.
Структурная схема регуляторов, реализуемых с помощью системы автоматического регулирования турбинного отделения, приведена на структурной схеме, приведенной на рисунке. Схема является унифицированной для всех систем цифрового авторегулирования.







Рис. 3.4.1 – Структурная схема регулятора

На структурной схеме обозначены:
1 - корректор уставки (КУ);
2 - формирователь программы (ФП);
3, 8 - формирователи рассогласования;
4 - формирователь зоны нечувствительности;
5 - формирователь обратной связи;
6 - блок обработки аналоговых сигналов;
7 - формирователь закона регулирования;
9 - объект регулирования;
10 - релейный элемент;
11, 12 - модели исполнительного механизма;
13 - блок контроля регулирующего клапана;
14 - исполнительный механизм

Корректор уставки (1) входит в состав регулятора, воздействующего на
астатический объект, и обеспечивает автоматическую компенсацию статической ошибки регулирования.
Формирователь программы (2) обеспечивает безударное включение
регулятора и осуществляет изменение программного значения до уровня уставки.
В зависимости от способа регулирования («до себя» или «после себя») в блоке (3)
определяется рассогласование между программным значением Хпр и величиной обратной связи регулятора Хос. Положительное рассогласование вызывает формирование положительной П – части, увеличение интегральной составляющей и выдачу команд на открытие регулирующего клапана.
Отрицательное рассогласование вызывает формирование отрицательной П –
части, уменьшение интегральной составляющей и формирование команд на
закрытие регулирующего клапана.
Формирователь зоны нечувствительности (4) блокирует выдачу команд
управления на регулирующий орган при величине рассогласования, не
превышающей величины зоны возврата.
Формирователь обратной связи (5) в зависимости от типа объекта
регулирования обеспечивает формирование сложной обратной связи,
учитывающей величину регулируемого параметра, положение регулирующего
клапана и корректирующие параметры, что дает возможность построить
одноимпульсную, двухимпульсную и трехимпульсную схемы регулирования.
Наличие составляющих в обратной связи определяется ненулевыми
значениями коэффициентов при том или ином параметре, входящим в обратную
связь.
Для астатических объектов с целью повышения устойчивости работы
регулятора в обратную связь вводится сигнал от датчика положения
регулирующего клапана, который в случае его неисправности автоматически
безударно заменяется моделируемым системой значением положения клапана.
Сигналы, поступающие от объекта регулирования (9) и обеспечивающие
формирование обратной связи, могут проходить через блок обработки аналоговых
сигналов (6), обеспечивающий их дополнительную фильтрацию.
Формирователь (7) обеспечивает формирование суммарного управляющего воздействия в соответствии с П-, ПИ-, ПИД- законами регулирования. Выбор закона регулирования осуществляется путем задания ненулевого коэффициентов при той или иной его составляющей. Причем дифференциальная составляющая может формироваться либо по текущему значению регулируемого параметра, либо по величине рассогласования.
Формирователь рассогласования (8), релейный элемент (10), а также модель
исполнительного механизма (11) осуществляют преобразование суммарного управляющего воздействия в импульсную последовательность, поступающую на
исполнительный механизм (14).
Исполнительный механизм включается и перемещается с постоянной
скоростью в сторону ликвидации рассогласования при:
ЗНЗР M >
·
· 1
·
где:
ЗНЗР - значение зоны нечувствительности.

Перемещение исполнительного механизма передается в виде сигнала
обратной связи
·м1, уменьшая результирующий сигнал
·зр=
·-
·м1,
воздействующий на релейный элемент (10).
При |
·зр| < ЗВЗР, где ЗВЗР - значение зоны возврата, исполнительный
механизм отключается. Таким образом, при каждом изменении суммарного
управляющего воздействия |
·| > ЗНЗР исполнительный механизм перемещается,
ликвидируя с точностью |
·зр| < ЗВЗР отклонение от заданного значения.
Модели исполнительного механизма (11 и 12) представляют собой
интегральные звенья, на входы которых поступают те же управляющие сигналы,
что и на исполнительный механизм (14). Изменение положения моделей
производится с постоянной скоростью, равной скорости перемещения реального
клапана при наличии команд на его открытие или закрытие. Кроме того, модели

·м1 и
·м исполнительного механизма (14) учитывают его люфты, возникающие при смене направления выдачи команд.
Модель (11) исполнительного механизма, как указывалось выше, входит в узел формирования серии импульсов на исполнительный механизм (14) и
обеспечивает при нулевом рассогласовании компенсацию интегральной
составляющей закона регулирования. Диапазон изменения выходного сигнала
·м1
модели (11) - от минус 90 до 90 %. При включении регулятора с целью
обеспечения безударности модели (11) и интегральной составляющей закона
регулирования присваивается нулевое значение.
Модель (12) позволяет обеспечить контроль работоспособности
регулирующего клапана путем сравнения сигналов от реального датчика
положения клапана и модели.
Диапазон изменения выходного сигнала
·м модели (12) от 0 до 100 %. При
включении регулятора модели (12) присваивается значение положения
регулирующего клапана.
Блок контроля (13) осуществляет контроль исправности регулирующего
клапана путем сравнения моделируемого положения
·м и показаний реального датчика положения
·РК, а также анализа сигналов от концевых выключателей.
Сигнал «Неисправность РК» формируется в следующих случаях:
1) при расхождении показаний
·м и
·РК на величину больше допустимой;
2) при несоответствии сигналов от концевых выключателей и
·РК;
3) при скачкообразном изменении
·РК на величину больше допустимой.
При отсутствии сигналов от концевых выключателей формируется сигнал
«Отказ РК» (отсутствие питания регулирующего клапана).












13PAGE 15


13PAGE 1421215




Технологический объект управления (ТОУ).

Средства автоматизации и вычислительной техники.
(УВМ).

Лицо, принимающее решение
(ЛПР).


Информация

Информация

Информация

Управление

Общая теория систем (ОТС)
(Л. Фон Берталанфи)

Кибернетика
(Н. Винер. У. Росс Эшби)

Общая (теоретическая)
кибернетика.

Техническая (инструментальная) кибернетика

Прикладные ветви кибернетики:
биологическая (бионика)
-социальная
-медицинская и др.

Автоматика

Теория автоматического регулирования и управления

Технические средства построения автоматических систем

Теоретические основы автоматизированного управления

Теория информации

Теория алгоритмов

Теория автоматов

Э

Э

Э

Э

Система

Среда

Входы

Выходы

Связи

информация, управление - информация

Структурные схемы систем

Конструктивные

Функциональные
(общие)

Алгоритмические
(динамические) структурные

Динамические структурные
(структурные)
функциональные

Динамические структурные (структурные)
операционные

УУ

ОУ

СУ

f

g

y

u

ОУ
x




Приложенные файлы

  • doc 8833691
    Размер файла: 6 MB Загрузок: 1

Добавить комментарий