"Основные аспекты управления процессами и объектами в машиностроении"

3.2. Характеристика систем управления технологическими процессами
Взаимосвязанную совокупность оборудования, на котором вы­полняется технологический процесс, назовем технологической си­стемой. Отвлекаясь от физической сущности, представим техноло­гическую систему в виде многомерного объекта, описываемого тремя группами переменных.
Первую группу переменных обозначим вектором W (t}, составляющие которого W₁ (t), ..., W_m (t) представляют собой параметры, характеризующие свойства и количество входных про­дуктов (температура, химический состав, механические свойства, размеры, количество и т. п.). Вторая группа переменных V (t) = {V₁ (t), ..., V_n(t)} представляет собой параметры, характе­ризующие свойства выходного продукта. Третья группа составлена из параметров, характеризующих условия протекания технологического процесса. Обозначим их векторной переменной Z (t} = {Z₁ (t), ...,Z.i (t).} К этим параметрам, как правило, относятся давление и температура в технологическом агрегате, скорость и координаты рабочих частей механизма, производительность и др. Выделим среди перечисленных переменных те, которые могут ха­рактеризовать состояние технологической системы (вектор состоя­ния), и управляющие переменные (вектор управления).
В общем случае состояние технологической системы характери­зуется всеми выделенными выше переменными. Действительно, для определения управляющего воздействия нужна информация как о свойствах и количестве входных и выходных продуктов, так и об условиях протекания процесса. Однако размерность векторов W (t), V (t) и Z (t) в реальных технологических системах обычно весьма велика и превышает возможности управляющего органа (оператора или автоматического устройства) по обработке инфор­мации. Кроме того, на практике часть переменных либо не требуется измерять, т. е. они несущественны с точки зрения цели управления, либо измерять невозможно из-за технических сложностей.
Поэтому только часть составляющих векторов W (t), V (t) и Z (t) используют для формирования вектора состояния х (t}. Пере­менные вектора состояния условно разобьем на две группы. В пер­вую группу включим те переменные, которые можно целенаправ­ленно изменять в процессе управления. Назовем их управляемыми переменными. Вторую группу составим из переменных, которые из­меряются и используются при формировании управляющего воз­действия, но не могут целенаправленно изменяться при управлении данным технологическим процессом. Таки­ми переменными являются, например, по­казатели качества входного продукта. Их необходимо учитывать при управлении, но активно влиять на них невозможно.
В качестве управляющих переменных обычно выбирают те составляющие векто­ров W (t) и Z (t), целенаправленное из­менение которых технически возможно и существенно влияет на показатель цели управления.
Таким образом, выбор переменных для описания состояния и управляющих переменных зависит от цели управления техноло­гическим процессом, от возможностей измерения свойств входных и выходных продуктов, а также от особенностей и физических свойств технологической системы.
Переменные векторных функций W (t) и Z (t}, не использован­ные при формировании вектора состояния и вектора управления, могут рассматриваться как неконтролируемые возмущающие воз­действия, приложенные к технологической системе (вектор возму­щений).


Рис.15 Схема технологической системы
Поэтому технологическую систему можно представить схемой (рис.15). На ее информационные входы действуют векторные функ­ции u(t) (вектор управления) и f (t} (вектор возмущения), а на информационном выходе — векторная функция х (t) (вектор со­стояния), т. е. технологическую систему можно представить как преобразователь функций u (t) и f (t) в функцию х (t). Каждая вы­ходная переменная х₁ (t), ..., X_k (t) в общем случае определяется всеми входными переменными. Поэтому /5/
x(t) = F(u(t), f(t)) (7)
где F—оператор преобразования.
Выражение (7) является формальным описанием технологиче­ской системы, т. е. моделью. Конкретное выражение оператора F зависит от физических свойств технологической системы и уста­навливается при ее идентификации .
Определим технологический процесс как целенаправленную смену состояний технологической системы во времени. Формально его можно описать вектор-функцией х (/) = {x₁(t), ..., x_k(t)}. Таким образом, состояние технологического процесса и состояние технологической системы характеризуются одними и теми же пере­менными x₁, x₂, ... , x_k которые назовем параметрами технологиче­ского процесса.
Задачу управления технологическим процессом можно сформу­лировать следующим образом: найти такое состояние технологиче­ского процесса х* (t) (технологический режим) и такое управляющее воздействие u* (t), которые удовлетворяют как цели управления, так и ограничениям вида (3). В большинстве практических случаев при управлении технологическим процессом определение программы управления (плана) х* (t) и формулирование управляющего воздей­ствия u* (t} (регулирование) разделены по времени и осуществляются в форме двух последовательных процедур.
Графически управление технологиче­ским процессом можно представить в про­странстве параметров его состояния х (t) следующим образом (рис. 16). Программа управления — это фазовая траектория х* (t}. Ход технологического процесса представляется фазовой траекторией Х_p (t), которая описывает процесс регулирования.
Траектории х* (t) и Кр (t) совпадают лишь в идеальном случае. Реальный процесс несколько отклоняется от х* (t).

Рис.16 Графическое представление процесса управления технологией
В промышленности существует множество типов технологиче­ских процессов, отличающихся физическими законами, положен­ными в их основу, оборудованием, на котором они выполняются, условиями их протекания, качеством исходного сырья и др. Однако, несмотря на большое разнообразие технологических процессов, системы управления ими могут быть разделены на типы по сходству целей и алгоритмов управления. Рассмотрим основные типы систем управления технологическими процессами.