2. Общие положения автоматического управления системами кондиционирования и вентиляции

2.1. Основные термины и определения

Комфортное и технологическое кондиционирование воздуха базируется на теории тепло- и массообмена и характеризуется большой сложностью происходящих процессов. Понимание этих процессов возможно только при их количественной оценке на основе математических зависимостей. Как правило, требуется решить большое число дифференциальных уравнений, связывающих входные и выходные параметры системы. Однако даже при решении этой сложной аналитической задачи возникает немало трудностей по практической реализации систем кондиционирования воздуха. Особенно сложной является реализация и настройка устройств управления.

В теории систем управления используется большое количество специальных понятий и терминов, основные из которых изложены ниже.

Система - совокупность связанных между собой элементов, объектов или процессов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей средой по определенным законам.

В приведенном определении необходимо обратить внимание на слова «взаимодействие с окружающей средой». Любая система не может существовать сама по себе и всегда подвержена влиянию извне, что необходимо учитывать при ее изучении или создании.

Управление - совокупность действий, которые обеспечивают поддержание или изменение протекающих технологических процессов в соответствии с заданной программой.

Система управления - совокупность объекта управления (управляемого технологического процесса) и управляющих устройств, взаимодействие которых обеспечивает протекание процесса в соответствии с заданной программой.

Технологический процесс - последовательность операций, которые необходимо выполнить, чтобы из исходного сырья получить готовый продукт.

СКВ есть совокупность технических средств для создания и автоматического поддержания в закрытых помещениях температуры, влажности, чистоты, состава, скорости движения воздуха, которые являются благоприятными для самочувствия людей (комфортное кондиционирование) или ведения технологических процессов, работы оборудования и приборов (технологическое кондиционирование).

СКВ - типичный пример непрерывного технологического процесса. При этом сырьем является воздух и жидкостные теплоносители, а готовым продуктом - воздух с заданными параметрами.

Объект управления - техническая установка или технологическая цепочка установок, с помощью которой осуществляется технологический процесс.

Технологические параметры - физико-химические величины, которые характеризуют состояние объекта управления (например, температура, давление, частота вращения и др.).

Обычно из технологических параметров выбирают основные, наиболее полно характеризующие состояние процесса, величиной которых можно управлять с помощью специальных технических средств. Такие параметры называются регулируемыми. Их число, как правило, значительно меньше общего числа технологических параметров.

Кроме технологических параметров объекты управления характеризуются возмущающими и управляющими воздействиями.

Возмущающие воздействия (нагрузки) - факторы, изменение которых большей частью носит случайный, трудно прогнозируемый характер. К таким факторам относятся, например, температура наружного воздуха, колебания напряжения в электросети и др.

Управляющие воздействия - воздействия на объект управления, осуществляемые специальными техническими средствами или оператором с целью компенсации влияния возмущающих воздействий или изменения режимов работы объекта управления.

Система управления, в которой поддержание заданного технологического процесса выполняется без участия человека-оператора, называется системой автоматического управления (САУ).

Современные системы управления обычно создаются с несколькими ступенями (уровнями) управления. Если рассматривать системы управления кондиционированием и вентиляцией таких объектов как большие общественные здания и производственные помещения, то на первом (локальном) уровне располагаются автономные системы управления параметрами воздуха отдельных помещений или отдельными установками и устройствами. На верхнем уровне осуществляется управление параллельной работой систем локальных уровней с учетом показателей их тепловых нагрузок, контроля над работой всех систем, централизованного учета отказов в работе и др. На этом уровне для обработки большого объема информации используется вычислительная техника (контроллеры, компьютеры). Такие системы выдают информацию в форме, удобной для принятия решений (режим советчика), или непосредственно корректируют задания системам локального уровня (супервизорный режим).

Системы управления технологическими процессами, в которых управляющими устройствами являются автоматические устройства, вычислительные машины и человек, называются автоматизированными системами управления технологических процессов (АСУ ТП). В настоящее время, помимо термина АСУ, широкое распространение для обозначения подобных систем такого уровня получил термин SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition - система диспетчерского управления и сбора данных).

Для любых видов объектов, вне зависимости от класса и сложности, действует единый основной принцип управления - принцип обратной связи. Сущность принципа заключается в выработке управляющих воздействий на объект на основании данных о состоянии процесса в конкретный момент времени и их сравнении с заданными параметрами.

САУ можно разделить на замкнутые и разомкнутые (рис. 2.1).

Системы автоматического управления

Рис. 2.1. Классификация систем автоматического управления

Замкнутые САУ - совокупность управляющих устройств и объекта управления (канала управления), образующих технически замкнутую цепь. К замкнутым автоматическим системам относятся автоматические системы регулирования параметрами процессов.

К разомкнутым системам относятся: автоматическое измерение технологических параметров, дистанционное и программное управление режимами работы, а также система автоматической блокировки и защиты оборудования в аварийных ситуациях. Это не означает, что в данных системах не соблюдается принцип обратной связи. Он реализуется в скрытом виде по предварительно заданной исходной информации, или непосредственно оператором.

Система автоматического регулирования (САР) - разновидность САУ, в которой управляющее воздействие на объект вырабатывается автоматически в результате сравнения действительного значения управляемой величины y(t) с заданным значением Езад в замкнутой системе: объект - автоматическое регулирующее устройство - объект.

САР определяется как система автоматического управления, в которой заданные показатели в статических и динамических режимах достигаются посредством оптимизации замкнутых контуров регулирования [1].

2.2. Показатели качества работы САР

Задача системы автоматического регулирования - устойчиво поддерживать заданное значение регулируемой величины в зависимости от внешних воздействий или изменять ее по определенной программе.

Под устойчивостью системы понимается способность возвращаться к состоянию установившегося равновесия после устранения возмущения, нарушившего указанное равновесие. Большинство систем имеют ограниченную устойчивость, т. е. система устойчива, если нагрузка не выходит за допустимые пределы.

В САР понятие устойчивости хорошо иллюстрируется реакцией системы на возмущающее или задающее воздействие.

Рассмотрим временной график изменения регулируемого параметра y(t) при появлении возмущающего воздействия (рис. 2.2). Задача регулятора заключается в том, чтобы вычислить рассогласование Д=Узад-у()э сформировать управляющее воздействие и привести регулируемую переменную к заданному значению.

абв

Рис. 2.2. Графики процесса изменения выходного сигнала САР:

а - сигнал регулятора недостаточной величины (система неустойчива); б - сигнал регулятора избыточной величины (система неустойчива); в - сигал регулятора достаточной величины (система устойчива); 1 - колебательный затухающий процесс; 2 - апериодический процесс

При этом могут возникнуть следующие варианты:

•рис. 2.2, а - регулятор вырабатывает сигнал недостаточной величины. Это частично уменьшает скорость изменения рассогласования, однако само отклонение продолжает расти: Ai < А2 < A3. График такого процесса изменения y(t) будет расходящимся (расходится с заданием), а работа САР - неустойчивой.

•рис. 2.2, б - регулятор вырабатывает сигнал избыточной величины. Отклонение y(t) не только сводится к нулю, но и вызывается новое, противоположное по знаку и большее по амплитуде: A3 > -A2I > Ai. График процесса регулирования такой САР также будет расходящимся, а работа САР - неустойчивой.

•рис. 2.2, в - регулятор вырабатывает управляющий сигнал достаточной величины. При этом регулируемый параметр возвращается к заданному значению или плавно (апериодический процесс регулирования), или через затухающие колебания (колебательный процесс регулирования). Такие графики регулирования называются сходящимися, а работа САР в этом случае - устойчивой.

Устойчивость системы обычно оценивается на стадии ее проектирования по одному из критериев, подробно изложенных, например, в [2].

Кроме устойчивости, любая САР должна обеспечить определенные качественные показатели процесса регулирования. Качество процесса регулирования обычно оценивается по переходной характеристике h(t) (рис. 2.3).