30
Глава 1. Введение в системы управления ХТП
Для курса «Системы управления химико-технологическими про-
цессами» характерны преемственность и взаимосвязь его с общетео-
ретическими и общеинженерными, а также специальными дисцип-
линами. Курсу «Системы управления химико-технологическими
процессами» предшествует изучение высшей математики, физики,
вычислительной техники и вычислительной математики, примене-
ния ЭВМ в химической технологии, аналитической химии, физи-
ческой химии, электротехники, электроники и электрооборудова-
ния, теплотехники, процессов и аппаратов химической технологии,
общей химической технологии, включающей в себя такие разделы,
как химические процессы и реакторы, химико-технологические си-
стемы, химические производства и т. д.
В зависимости от цели изучения систем управления химико-тех-
нологическими процессами (специализации обучающегося по на-
правлениям подготовки бакалавра, дипломированного специалиста,
объема подготовки, учебного плана) эта учебная дисциплина может
быть представлена в виде нескольких учебных курсов, например,
«Теория автоматического регулирования», «Технические средства
управления», «Технологические измерения» и т. д. В связи с этим
материал в учебнике излагается исходя из возможных вариантов
преподавания данного предмета.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
I.	Какие возможности открывают системы управления перед химичес-
кой технологией?
2.	Перечислите особенности химико-технологических процессов.
3.	Каковы функции управляющих устройств?
4.	Каково отличие автоматического регулирования от автоматического
управления?
5.	Чем определяется уровень аатоматического управления а химичес-
кой технологии?
ГЛАВА_______________________
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ УПРАВЛЕНИЯ
ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ
ПРОЦЕССАМИ
Управление без обратной связи все-
гда приводит к катастрофам: важно, что-
бы лица и организации, принимающие
ответственные решения, лично, материаль-
но зависели от последствий этих решений.
Академик РАН
В. И. Арнольд
2.1.	ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Управление — это процесс формирования и реализации управля-
ющих воздействий, направленных на достижение некоторой цели.
Объект управления — объект, для достижения результатов функ-
ционирования которого необходимы и допустимы специально орга-
низованные воздействия.
Под технологическим объектом управления (ТОУ) понимают со-
вокупность технологического оборудования и реализуемого в нем
технологического процесса. Под объектом управления (ОУ) в хими-
ческой технологии понимают технологический процесс, осуществля-
емый в определенном аппаратурном оформлении, в котором один
или несколько химико-технологических параметров, характеризую-
щих состояние процесса, поддерживаются на заданном уровне или
изменяются по определенному закону. В химической промышлен-
ности к типовым ОУ относят реакторы, массообменные колонны,
теплообменники, насосы, вентиляторы и другие аппараты и устрой-
ства технологических установок, включая трубопроводы.
Цель управления — достижение желаемых результатов функцио-
нирования объекта. Цель управления формируется вне системы уп-
равления и является входным сигналом системы управления. Для си-
стемы управления одним и тем же объектом цель управления может
быть сформулирована по-разному и может изменяться во времени.
Например, целью управления ректификационной установкой на неф-
теперерабатывающем заводе может быть:
32
Глава 2. Основные понятия управления ХТП
•	получение максимального количества высококачественного
бензина при переработке 1 т нефти;
•	получение максимума прибыли при переработке 1 т нефти;
•	минимизация энергетических затрат на переработку 1 т нефти
и т. п.
Состояние объекта управления описывается функциями х,(т),
i— 1, 2,п, которые называются параметрами состояния (перемен-
ными состояния). Совокупность параметров состояния образует век-
тор состояния:
х(т) =	х„(т)}.
Чтобы перевести объект управления в желаемое состояние, веду-
щее к достижению цели управления, необходимо воздействовать на
некоторые параметры состояния, называемые управляемыми (или
регулируемыми) параметрами. Обозначим их совокупность вектором
Хт) = thCO,	Ук:(?)}; к < п.
Управляемые параметры являются выходными сигналами (выхо-
дами) ОУ (рис. 2.1).
В химической технологии к управляемым параметрам можно от-
нести температуру, давление, уровень, pH, плотность, концентрацию
и другие переменные, характеризующие состояние технологического
процесса, к управляющим переменным — расходы теплоносителя, хла-
дагента и т. д. (иногда выражаемые опосредованно через положения
затвора клапана, заслонки, обороты двигателя).
Состояние объекта управления может изменяться в результа-
те воздействий на него двух типов: управляющих и возмущающих
(см. рис. 2.1). Оба типа воздействий являются входными сигналами
(входами) ОУ. В системах управления ХТП управляющие воздей-
ствия представляют собой изменения материальных или энергети-
ческих потоков.
Объект управления является открытой системой и находится в
динамическом взаимодействии с внешней средой. Изменения внеш-
Рис. 2.1. Структурная схема объекта управления
2.1. Основные термины и определения
33
них условий, влияющие на состояние ОУ, называют возмущающими
воздействиями. Вектор возмущающих воздействий:
rf(T) = {d,(T), ..., dc(T)}
Возмущающие воздействия способны вывести ОУ из желаемого
состояния. Это своего рода «вредные» воздействия, нарушающие нор-
мальный ход технологического процесса в объекте управления. Вид,
характер изменения и величина возмущающих воздействий могут ока-
заться определяющими при выборе структуры системы управления.
Возмущающие воздействия делятся на:
•	контролируемые и неконтролируемые;
•	допускающие и не допускающие стабилизацию.
Контролируемые возмущающие воздействия можно измерить (на-
пример, изменение расхода вещества, подаваемого из одного аппа-
рата в другой, изменение температуры теплоносителя).
Неконтролируемые возмущающие воздействия невозможно или
нецелесообразно измерять непосредственно (например, падение ак-
тивности катализатора, изменение коэффициентов теплопередачи и
массопередачи, изменение давления греющего пара в заводской ма-
гистрали). Наличие такого рода возмущающих воздействий требует
применения САУ с обратной связью.
Возмущающие воздействия, не допускающие стабилизацию, по ус-
ловиям работы невозможно или недопустимо стабилизировать (на-
пример, изменение температуры окружающей среды).
Возмущающие воздействия, допускающие стабилизацию, — это из-
менения тех технологических параметров, которые могут быть ста-
билизированы с помощью специальной аппаратуры или с помощью
системы автоматического регулирования. Как правило, такими тех-
нологическими параметрами являются параметры входящих в аппа-
рат потоков. Например, можно сгладить колебания расхода на входе
в аппарат, установив перед аппаратом ресивер (буферную емкость),
а температуру входного потока можно стабилизировать, установив
перед аппаратом теплообменник с системой автоматического регу-
лирования температуры.
Иногда возмущающие воздействия делят на внешние и внутренние.
Внешним возмущающим воздействием (или просто возмущающим
воздействием) называют воздействие на систему внешней среды.
Например, температура окружающей среды влияет на объект регу-
лирования и может вывести его из желаемого состояния (резкое из-
менение температуры окружающей среды может привести даже к
останову химического реактора).
Внутренние возмущающие воздействия возникают внутри систе-
мы управления. Например, гранулы ванадиевого катализатора, за-
гружаемые в реактор окисления диоксида серы «внавал», образуют
2 Беспалов А. В.. Харитонов Н. И.
34
Глава 2. Основные понятия управления ХТП
неупорядоченный слой, генерирующий гидродинамические неодно-
родности, что приводит к появлению «температурных пятен», а это
в свою очередь — к изменению активности катализатора, к повы-
шенному его запылению и, как следствие, увеличению гидравличес-
кого сопротивления реактора. Таким образом, каталитический ре-
актор является нестационарным объектом, т. е. его свойства изменя-
ются во времени. Однако при исследовании систем управления проще
рассматривать объекты как стационарные, а влияние изменяющих-
ся свойств объекта на его состояние выражать с помощью внутрен-
них возмущающих воздействий.
С помощью управляющих воздействий система управления влия-
ет на состояние ОУ для достижения цели управления. Вектор управ-
ляющих воздействий:
и(т) = {«1(т), ..., и,„(т)}.
Управляющие воздействия формируются управляющим устройством
(УУ). Формирование управляющих воздействий включает:
•	сбор, передачу и обработку необходимой информации;
•	анализ информации;
•	принятие решений, определяющих управляющие воздействия.
Реализация управляющих воздействий включает передачу управ-
ляющих воздействий и при необходимости преобразование их в
форму, непосредственно воспринимаемую объектом управления.
Примечание
В простейшем случае управляющим устройством является автомати-
ческий регулятор. В более широком смысле под управляющим устрой-
ством можно понимать совокупность персонала и автоматических уст-
ройств, связанных общей задачей управления, которую называют управ-
ляющей системой. Автоматические устройства, входящие в управляющую
систему, по своим функциональным признакам можно подразделить на
устройства контроля и диагностики, сигнализации, блокировки и заши-
ты, регулирования, управления. Сюда же можно отнести и вычислитель-
ную технику.
В любой момент времени состояние детерминированного объек-
та является функцией начального состояния объекта и входных воз-
действий (возмущающих и управляющих):
х(т) = /Мт0), и(т), </(т)}.
Используя введенные термины, можно сказать, что управление —
это определение состояния х(т), обеспечивающего достижение цели,
и управляющего воздействия и(т), которое приведет объект в это
состояние, удовлетворяя при этом ограничениям, которые наклады-
ваются на х(т) и «(т).
2 1. Основные термины и определения
35
Регулирование отличается от управления тем, что желаемое со-
стояние объекта известно {задано) и для достижения этого состоя-
ния необходимо определять только и(т).
Значение управляемого параметра, соответствующее желаемому
в данный момент состоянию ОУ, будем называть заданным значени-
ем и обозначать узд.
Системой автоматического управления (САУ) называется систе-
ма, представляющая собой совокупность объекта управления и уп-
равляющего устройства, взаимодействие которых между собой обес-
печивает процесс управления без участия человека.
Для системы управления входными величинами являются:
•	возмущающие воздействия;
•	цель управления.
Системой автоматического регулирования (САР) называется со-
вокупность объекта управления и управляющего устройства (назы-
ваемых в этом случае объектом регулирования и регулятором), ко-
торые без участия человека обеспечивают процесс регулирования.
Для системы регулирования входными величинами являются:
•	возмущающие воздействия;
•	задающее воздействие.
Человеко-машинную систему, обеспечивающую автоматизиро-
ванный сбор и обработку информации, необходимой для оптималь-
ного управления в различных сферах человеческой деятельности,
называют автоматизированной системой управления (АСУ). То есть
АСУ — это система управления, часть функций которой, главным
образом функцию принятия решений, выполняет человек.
Степень участия человека (оператора) в управлении может быть
различной и определяется задачами, стоящими перед системой уп-
равления, наличием разработанных методов управления и техничес-
ких средств управления. Возьмем в качестве примера управление хи-
мическим реактором непрерывного действия. Вывод реактора на ре-
жим, определяемый технологическим регламентом (например, после
капитального ремонта), или останов реактора являются довольно слож-
ными задачами управления и решаются с помощью АСУ, т. е. при
участии человека. После вывода реактора на технологический режим
управление реактором, а также контроль, сигнализация, блокировка
и защита реактора осуществляются системой управления без участия
человека. Тогда можно считать, что на этапе работы реактора в тех-
нологическом режиме система управления является автоматической.
Пример
►	Определить входные и выходные переменные изотермичес-
кого химического реактора непрерывного действия как объекта уп-
равления. Выходные переменные — управляемые параметры: тем-
36
Глава 2. Основные понятия управления ХТП
пература реакционной смеси в реакторе, состав (концентрация)
продукта на выходе из реактора. Входные переменные — управля-
ющие воздействия: изменения расхода греющего пара, подаваемо-
го в рубашку реактора, изменения расхода реакционной смеси.
Входные переменные — возмущающие воздействия: изменения со-
става (концентрации) сырья, изменения давления греющего пара,
изменения температуры окружающей среды. 
Пример
►	Рассмотрим более подробно процесс, имеющий только одну
регулируемую величину, — широко распространенный в химической
технологии процесс теплообмена (рис. 2.2, а). Для стабилизации
температуры нагреваемого вещества на выходе из теплообменника
(регулируемой переменной) другая переменная, влияющая на нее,
должна использоваться в качестве управляющей. В этом примере
предполагается в качестве управляющей переменной использовать
расход греющего пара, для чего на линии подачи греющего пара
установлен регулирующий клапан с исполнительным механизмом.
Однако температура нагреваемого вещества на выходе из теплооб-
менника зависит не только от положения затвора регулирующего
• • ^вых
Рис. 2.2. Определение входных и выходных переменных процесса теплооб-
мена:
а — фрагмент технологической схемы с теплообменником (/ — первич-
ный измерительный преобразователь температуры; 2 — нормирующий
преобразователь; — сигнал, поступающий в регулятор; 3 — коман-
дный сигнал, поступающий с регулятора на исполнительное устройство 4)\
6 — входные и выходные переменные теплообменника
2.1. Основные термины и определения
37
клапана. Она зависит также от расхода нагреваемого вещества, его
входной температуры, энтальпии пара, величины отложений на стен-
ках теплообменника, температуры окружающей среды и т. д.
Видно, что даже в гаком простом случае, как регулирование про-
цесса теплообмена, можно выделить три вида переменных, свой-
ственных любому процессу регулирования (рис. 2.2, б):
•	возмущающие воздействия — изменение температуры нагревае-
мого вещества на входе в теплообменник ZBX, изменение расхода на-
деваемого вещества F;
•	управляемая (регулируемая) переменная — температура нагрето-
го вещества на выходе из теплообменника ZBblx;
•	управляющее воздействие — изменение расхода греющего па-
ра Л1- 
Дополнительная информация
Сигналы. Сигналами называются физические процессы, параметры кото-
рых содержат информацию. Параметры, содержащие информацию, называ-
ются информационными параметрами. Например, электрическое напряже-
ние — сигнал, информационный параметр — амплитуда сигнала. Сигнал на-
зывают аналоговым, если его информационные параметры могут принимать
любые значения в заданном промежутке. Сигнал называют дискретным, если
его информационные параметры могут принимать только дискретные значе-
ния (конечное множество). Измерительный сигнал — сигнал, содержащий ко-
личественную информацию об измеряемой физической величине
Системы. Понятие «система» употребляется в широком смысле, на-
пример система управления. Под системой понимают совокупность эле-
ментов (или устройств), находящихся в различных отношениях и взаимо-
связях между собой и образующих определенную целостность, единство.
Основная характеристика системы — ее структура, под которой понимают
совокупность элементов и связей между ними, определяемую исходя из
распределения функций и целей, поставленных перед системой. Свойства
системы — качества, позволяющие представить систему и выделить ее сре-
ди других систем. Свойства системы можно охарактеризовать совокупнос-
тью качественных и количественных параметров. Свойства системы про-
являются в процессе ее взаимодействия с внешней средой (т. е. с тем, что
находится вне системы). Систему называют изолированной, если у нее нет
внешней среды, или внешняя среда имеется, но система не обменивается с
внешней средой ни энергией, ни веществом. Закрытые системы обменива-
ются с внешней средой энергией, но не обмениваются веществом. Систему
называют открытой, если она имеет внешнюю среду и обменивается с ней
и энергией, и веществом. Объект управления можно определить как от-
крытую систему, следовательно, на объект влияет внешняя (окружающая)
среда, а объект оказывает свое влияние на внешнюю среду.
Интенсивные (качественные) и экстенсивные (количественные) параметры
технологического процесса. Параметры, описывающие локальное свойство, не
зависящее от размера системы (например, температура, давление, химичес-
кий потенциал), называются интенсивными переменными. Параметры, пропор-
циональные размерам системы (такие как объем вещества, количество веще-
ства, количество теплоты), называются экстенсивными переменными.
38
Глава 2. Основные понятия управления ХТП
Управляемыми параметрами, т. е. выходными параметрами объекта
управления, характеризующими состояние процесса, являются, как прави-
ло, интенсивные параметры. Каждому интенсивному параметру соответ-
ствует свой экстенсивный параметр: температуре — количество теплоты;
давлению — количество газа; уровню — количество жидкости и т. д. Ин-
тенсивные параметры могут изменяться во времени, так как объект обме-
нивается с внешней средой веществом и энергией. Количество вещества
или энергии, проходящее через объект в единицу времени, называют на-
грузкой объекта. Используя это понятие, можно определить возмущающее
воздействие как изменение нагрузки ОУ. Довольно часто регулируемая
переменная в одном технологическом процессе является переменной на-
грузки в другом технологическом процессе.
Изменение интенсивного параметра свидетельствует о нарушении ба-
ланса (материального или энергетического) в технологическом аппарате.
Так, температура — показатель теплового баланса в аппарате; концентра-
ция — показатель материального баланса по компоненту; давление — по-
казатель материального баланса по газовой фазе; уровень жидкости — по-
казатель материального баланса по жидкой фазе.
Чтобы воздействовать на управляемые параметры (интенсивные), не-
обходимо изменять экстенсивные параметры объекта управления. Следо-
вательно, возможные управляющие воздействия — это изменения матери-
альных или энергетических потоков на входе в объект управления или на
выходе из него.
Понятие об интенсивных и экстенсивных величинах впервые ввел в
1813 г. Гегель. Он обратил внимание на различные способы измерения
этих величин. Измерение экстенсивной величины заключается в сравни-
тельном анализе ее с другой, однородной с ней величиной. Например,
можно взять мерный сосуд, с его помощью наполнить резервуар жидко-
стью и подсчитать количество единиц объема, содержащихся в резервуаре.
Процедура измерения интенсивной величины состоит в использовании фун-
кциональной взаимосвязи между интенсивной величиной и изменением со-
пряженной с ней экстенсивной величины. Например, жидкостным термо-
метром измеряют не температуру (интенсивную величину), а объем жид-
кости (экстенсивную величину), иначе говоря, величину, зависящую от
температуры
Пример
► Рассмотрим химический реактор с паровой рубашкой (рис. 2.3),
в которую поступает теплоноситель для подогрева содержимого ре-
актора (реакционной смеси). Запишем для реактора уравнения при-
хода и расхода теплоты:
еЕХ = еА + ев + Ствх + ехР,
Свых = Qc + Qn + Ствых>
где Свх — приток теплоты в реактор; QK — физическая теплота,
пришедшая в реактор с компонентом A; QB — физическая теплота,
пришедшая в реактор с компонентом В; (?Твх — теплота, пришед-
шая с теплоносителем; (?хр — тепловой эффект химической реак-
2.1. Основные термины и определения
39
ции; <2ПЫХ — сток теплоты из реактора; Qc — физическая теплота,
ушедшая из реактора с продуктом С; Qn — потери теплоты в окру-
жающую среду; 0Твых — теплота, ушедшая с теплоносителем.
Уравнение теплового баланса имеет вид:
Свх — Свых — т(-р ~Г~ ’
1 ат
где т — масса реакционной смеси в реакторе; ср — ее удельная
теплоемкость; t — температура в реакторе. Правая часть этого урав-
нения выражает скорость изменения количества теплоты в реакторе
(экстенсивной переменной) через скорость изменения температуры
(интенсивной переменной).
Если приток теплоты в реактор QBX не равен стоку теплоты из
реактора £?вых, т. е. тепловой баланс нарушен, то это приводит либо
к накоплению, либо к убыли теплоты в реакторе:
~ Свых	const.
ат
Таким образом, при нарушении теплового баланса температура
в реакторе не является постоянной величиной. Следовательно, из-
менение любого теплового потока, приводящее к нарушению теп-
лового баланса в реакторе, можно рассматривать как возмущающее
воздействие. Для того чтобы получить желаемую температуру в ре-
акторе, некоторые из тепловых потоков изменяют целенаправлен-
но, создавая тем самым управляющие воздействия. Например, в каче-
стве управляющего воздействия можно использовать изменение £2Твх,
изменяя с помощью регулирующего клапана расход теплоносителя
(рис. 2.3).
Рис. 2.3. Схема тепловых потоков в химическом реакторе
40
Глава 2. Основные понятия управления ХТП
Если приток теплоты в реактор равен стоку теплоты из реактора
Свх ~ Свых ~
то количество теплоты в реакторе не меняется, и температура по-
стоянна. Следовательно, возмущающие воздействия на объект уп-
равления либо отсутствуют, либо скомпенсированы управляющими
воздействиями. 
2.2.	ИЕРАРХИЯ УПРАВЛЕНИЯ.
НАЗНАЧЕНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
ХИМИЧЕСКИМ ПРЕДПРИЯТИЕМ
И ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ
В зависимости от объектов управления различают:
•	АСУП — автоматизированная система управления предприя-
тием;
•	АСУ ТП — автоматизированная система управления техноло-
гическим процессом;
•	САР — локальные системы автоматического регулирования.
В АСУП объектом управления является предприятие; в АСУ ТП —
технологический процесс; в локальных САР — механизм, машина,
технологический аппарат.
Управление химическим предприятием осуществляется по мно-
гоуровневому иерархическому принципу.
На нижнем уровне иерархии находятся локальные САР, которые
регулируют отдельные технологические параметры. Локальные САР
входят в состав АСУ ТП и играют роль своеобразных усилителей
управляющих сигналов, формируемых на более высоких уровнях
управления.
Локальная САР состоит из объекта управления (ОУ) и управляю-
щего устройства (УУ), которые взаимодействуют между собой. ОУ
является динамической системой, состояние которой изменяется под
действием возмущающих J(x) и управляющих и(т) воздействий.
При нормальном протекании процесса технологические пара-
метры имеют номинальные значения. Возмущающие воздействия могут
изменять технологические параметры, выводя ОУ из установленно-
го регламентом режима. При регулировании непрерывных ХТП цель
регулирования на нижней ступени иерархии заключается в поддер-
жании определенных технологических параметров на заданном уровне с
помощью УУ.
Условно к управляющему устройству на нижнем уровне иерар-
хии можно отнести средства автоматического контроля (преобра-
2.2. Иерархия управления. Назначение систем управления
41
зователи и измерительные устройства), логические устройства (авто-
матический регулятор или программируемый логический контрол-
лер), технические средства изменения энергетических и материаль-
ных потоков (регулирующие клапаны и исполнительные механизмы).
АСУ ТП находятся на более высоком уровне иерархии. На этом
уровне управления решаются задачи отыскания оптимальных режи-
мов совместно работающих технологических аппаратов, распределе-
ния нагрузки между отдельными технологическими аппаратами с при-
менением управляющих ЭВМ. Системы управления обеспечивают:
•	необходимый объем дистанционного контроля, управления и
автоматизации объектов управления;
•	сигнализацию о состоянии технологического оборудования и от-
клонении технологических параметров объектов от их номинальных
значений (последние характеризуют нормальный технологический ре-
жим ведения процесса), что позволяет своевременно предупредить пер-
сонал о возможности возникновения аварийного режима работы;
•	защиту окружающей среды от вредных воздействий (газовые
выбросы, жидкие стоки и т. д.);
•	сбор, обработку (включая фильтрацию измеряемых величин —
выделение полезных сигналов), хранение полной достоверной и свое-
временной информации, представление ее на верхний уровень уп-
равления (АСУП) для просмотра и анализа состояния ХТП;
•	улучшение диагностики технологического оборудования и про-
текания ХТП;
•	повышение надежности и экономичности работы объектов уп-
равления, что сокращает время простоев технологического оборудо-
вания.
Пример
►	Функциональные возможности АСУ производством контакт-
ной серной кислоты.
Система управляет:
•	уровнями кислот в сборниках сушильной и абсорбционной ко-
лонн; концентрацией кислоты, подаваемой в абсорбционную колонну;
•	расходом кислоты, подаваемой из сушильной колонны в аб-
сорбционную; насосами подачи серы в серную печь
Система осуществляет контроль и диагностику:
•	оборудования;
•	аварийной сигнализации;
•	системы защиты компрессоров, пусковой топки, серной печи
и котла-утилизатора.
Система собирает информацию о технологических параметрах,
таких как:
•	уровень в сборниках и резервуарах;
42
Глава 2. Основные понятия управления ХТП
•	температура в контактном аппарате, промывной башне, сбор-
никах кислот, газовом тракте;
•	перепад давления в аппаратах и газовых трактах;
•	расход газа, воздуха, воды и кислот;
•	концентрация кислот. 
Следующий уровень иерархии представляют АСУП. На этом уровне
решаются не только задачи управления ХТП, но и экономические
задачи (управление финансово-хозяйственной деятельностью, плани-
рование ресурсов и т. п.). Управление осуществляется с применением
управляющих ЭВМ. Наиболее значимым в современных условиях
ресурсом производства, в том числе химического и нефтехимическо-
го, становится информация. Знания о потребностях рынка и заказчи-
ках, о ценах на сырье, товарные продукты и энергоносители, о ресур-
сах производства и управлении качеством вырабатываемой продук-
ции, о материально-техническом снабжении, об экологических
требованиях и реальной обстановке, о предаварийной или аварийной
ситуации на объектах производства входят составной частью в АСУП.
В мировой практике такой уровень управления называется Enterprise
Resource Planning (ERP) — планирование заводских ресурсов.
Замечание
Исторически сложилось так, что до последнего времени АСУП и АСУ
ТП развивались обособленно и независимо друг от друга. Наиболее харак-
терно это было для программного обеспечения (ПО). В результате каналы
обмена информацией между подсистемами АСУП и АСУ ТП оказались сла-
быми. Но в настоящее время прогресс информационных технологий, глоба-
лизация сети Internet, использование Web-решений начинают затрагивать
промышленную сферу. Ведущие производители средств промышленной ав-
томатизации выпускают новые виды программно-технических средств для
АСУ ТП, основанные на использовании современных информационных тех-
нологий, которые позволяют интегрировать системы верхнего (экономичес-
кого) и нижнего (технологического) уровней. Таким образом, речь идет об
интеграции АСУП и А СУ ТП в единую систему предприятия на основе создания
единого информационного пространства. При этом одной из основных про-
блем создания интегрированных систем управления в рамках химического
предприятия является проблема сопряжения и совместного действия ПО,
традиционно используемого в подсистемах разного уровня.
2.3.	ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ
В основе построения систем управления лежат некоторые об-
щие принципы управления, определяющие, какую текущую информа-
цию использует управляющее устройство для формирования необ-
ходимого управляющего воздействия.
2.3. Принципы управления	43
2.3.1.	Управление по задающему воздействию
В системе управления по задающему воздействию (рис. 2.4, а)
используется информация только о цели управления (или о задан-
ном значении параметра, если речь идет о системах регулирования).
Для такой системы характерна разомкнутая цепь воздействий, т. е.
управляющее устройство оказывает воздействие на объект управле-
ния, но обратное воздействие отсутствует (рис. 2.5, а). В связи с
этим систему, реализующую принцип управления по задающему воз-
действию, называют разомкнутой системой управления.
Достоинством управления по задающему воздействию является
простота конструктивной реализации. Однако качественное управ-
ление на основе этого принципа возможно только тогда, когда объект
управления хорошо изучен и его свойства, а также возмущающие
воздействия остаются постоянными.
Рис. 2.4. Структурные схемы систем автоматического управления:
а — управление по задающему воздействию; б — управление по возму-
щающему воздействию; в — управление по отклонению; г — комбиниро-
ванное управление (ОУ — объект управления; УУ — управляющее уст-
ройство)
44
Глава 2. Основные понятия управления ХТП
а
б
ОУ
ОС
Рис. 2.5. Управление:
a — без обратной связи; б — с обратной связью (ПС — прямая связь;
ОС — обратная связь)
2.3.2.	Управление по возмущающему воздействию
В системе управления по возмущающему воздействию (см.
рис. 2.4, б) кроме информации о цели управления используется
информация о возмущающих воздействиях. Одна из задач управля-
ющего устройства при этом заключается в формировании такого
управляющего воздействия, которое компенсировало бы влияние на
объект управления измеренного возмущающего воздействия. Поэтому
принцип управления по возмущающему воздействию называют так-
же принципом компенсации.
Рассмотрим систему автоматического регулирования температу-
ры реакционной смеси в реакторе, основанную на принципе ком-
пенсации возмущающего воздействия (рис. 2.6). Предположим при
этом, что основным (главным, наиболее сильным) возмущающим
воздействием является изменение расхода компонента А. При измене-
нии расхода FA регулятор 2 формирует управляющее воздействие
(изменяет расход хладагента Гохл), не дожидаясь изменения управ-
ляемого параметра (температуры).
Как и в предыдущем случае, реализация принципа управления
по возмущающему воздействию требует хорошего знания процес-
сов, происходящих в объекте управления. Но качество управления
при этом выше, так как влияние одного из контролируемых возму-
щающих воздействий компенсируется. При этом сама система уп-
равления оказывается несколько дороже из-за затрат на измерение
возмущающего воздействия.
2.3. Принципы управления
45
Рис. 2.6. Пример регулирования температуры в химическом реакторе по
возмущающему воздействию:
1 — датчик расхода; 2 — регулятор; 3 — исполнительное устройство
Что характерно для управления по возмущающему воздействию?
1.	Это разомкнутое управление (управление без обратной связи),
что означает отсутствие информации об управляемом параметре (тем-
пературе реакционной смеси в реакторе).
2.	Необходимо точно и верно выбрать канал, по которому может
проявиться главное возмущающее воздействие, например, измене-
ние расхода FK компонента А.	I
3.	Этот принцип нельзя использовать в системах управления
нейтральными и неустойчивыми объектами.
Достоинства такого принципа управления:
а)	быстродействие, так как возмущающее воздействие может быть
скомпенсировано до появления рассогласования между текущим
значением регулируемого параметра и его заданным значением;
б)	возможность (теоретическая) полной компенсации выбран-
ного возмущающего воздействия;
в)	отсутствие проблем, связанных с устойчивостью.
Недостатки:
а)	учитываются не все возмущающие воздействия, а только одно,
тем самым не обеспечивается высокая точность управления (осо-
бенно это проявляется при наличии неконтролируемых возмущаю-
щих воздействий);
б)	не контролируется результат управляющего воздействия;
в)	необходима надежная информация о функциональной взаимо-
связи между расходом степенью открытия клапана и регулируемой
температурой, которая, как правило, не линейна, не всегда точно изве-
стна и может изменяться в процессе функционирования аппарата.
46
Глава 2. Основные понятия управления ХТП
Пример
► Принципиальная структура системы управления по возмуща-
ющему воздействию представлена на рис. 2.7.
Изменение расхода нагреваемого вещества F (возмущающее воз-
действие) воспринимается первичным измерительным преобразо-
вателем расхода 1 и преобразуется нормирующим преобразовате-
лем 2 в унифицированный сигнал, соответствующий измеренному
значению расхода Рюы. В компенсирующее устройство 3 поступают
заданное значение управляемой переменной и измеренное значе-
ние расхода нагреваемого вещества Fmu. Компенсирующее устрой-
ство вычисляет корректирующий сигнал управления для существу-
ющих значений нагрузки (расхода нагреваемого вещества F) и за-
данного значения управляемой переменной Гзд. В приведенной
схеме управления изменения нагрузки (расхода нагреваемого ве-
щества F) вызывают непосредственно изменение управляющего
Рис. 2.7. Пример регулирования температуры на выходе теплообменника
по возмущающему воздействию:
а — фрагмент технологической схемы с теплообменником (1 — первич-
ный измерительный преобразователь расхода; 2 — нормирующий преоб-
разователь; 3 — регулятор температуры; 4 — исполнительное устройство;
5 — теплообменник); б — структурная схема системы регулирования теп-
лообменника
2.3. Принципы управления
47
сигнала (изменение расхода пара Fn), не дожидаясь изменения уп-
равляемой переменной — температуры на выходе теплообменника
/вых. Вполне очевидно, что такой подход к управлению требует хо-
рошего понимания хода технологического процесса и его особен-
ностей. 
2.3.3. Управление по отклонению
В системе управления по отклонению используется информа-
ция о цели управления и отклонении текущего значения управляе-
мого параметра от заданного значения (см. рис. 2.4, в).
Замечание
Принцип управления по отклонению иногда называют принципом
Ползунова—Уатта, а принцип управления по возмущающему воздействию —
принципом Понселе.
Управление по отклонению осуществляется на основе информа-
ции о состоянии объекта управления. Взаимодействие между ОУ и
УУ осуществляется как по цепи прямой связи — от УУ к ОУ, так и
по цепи обратной связи — от ОУ к УУ (см. рис. 2.5, б). Информация
при этом передается по замкнутому контуру (контуру регулирова-
ния), поэтому управление по отклонению называют замкнутым или
управлением с обратной связью. Наличие обратной связи приводит к
созданию своеобразной системы управления, по сути своей пред-
ставляющей фильтр, который должен точно передавать управляю-
щее воздействие (подчиняться в основном управляющему воздей-
ствию) и подавлять возмущающие воздействия.
Замечание
Как это не удивительно, но оптимизация и интенсификация могут
привести к катастрофической потере устойчивости. Устойчивость не теря-
ется, если ввести обратную связь, например, жесткий план с по сбору уро-
жая, вылову рыбы, вырубке леса, охоте и т. п. заменить величиной, про-
порциональной фактически имеющимся в наличии ресурсам х (зерновые,
популяции, лес...), т. е. с = кх. При максимально жестком плане система
теряет устойчивость и самоуничтожается. Введение же обратной связи ста-
билизирует систему и, например, небольшие изменения коэффициента к
(или какие-то другие случайности) не приведут к катастрофе.
Системы управления с обратной связью более широко применя-
ются в химической технологии, чем системы управления по возму-
щающему воздействию, поэтому основное внимание в дальнейшем
будет уделено именно первым.
Упрощенная структурная схема такой системы с обозначением
основных сигналов приведена на рис. 2.8. Прямоугольниками обо-
48
Глава 2. Основные понятия управления ХТП
Рис. 2.8. Упрощенная
структурная схема сис-
темы управления с об-
ратной связью
значены элементы системы, а стрелками — входные и выходные
величины (или входы и выходы).
Выходной величиной объекта и всей системы регулирования
является управляемая (или регулируемая) величина у(т), зависящая от
управляющего воздействия ы(т) и возмущающего воздействия J(t).
Одним из входов системы регулирования является задающее воз-
действие узд(т), соответствующее желаемому значению регулируемо-
го параметра.
Другим входом системы регулирования является возмущающее
воздействие d(x). Под возмущающим воздействием можно понимать
такое воздействие, которое пытается вывести объект из желаемого
(заданного) состояния. Изменения управляемых (регулируемых) пара-
метров в объекте управления вызываются как управляющими воздей-
ствиями, так и возмущающими воздействиями.
Возмущающие воздействия, приложенные к системе, вызывают
отличие между заданным и действительным значениями управляе-
мой величины. Разность между заданным и действительным значе-
нием управляемой (регулируемой) величины называют ошибкой ре-
гулирования (погрешностью регулирования):
е(т) = узд(т) - у(т).	(2.1)
Как правило, задача регулирования непрерывных ХТП заключа-
ется в определении такого значения управляющей переменной, кото-
рое обеспечивает равновесие между всеми переменными, влияющи-
ми на регулируемую величину, и поддерживает заданное значение
последней.
В системах с обратной связью управляющее воздействие рассчи-
тывают в зависимости от рассогласования между действительным и
заданным значениями управляемой переменной, т. е. входной вели-
чиной управляющего устройства является ошибка регулирования.
Рассмотрим замкнутую систему автоматического регулирова-
ния температуры реакционной смеси в реакторе (САР с обратной
связью), схема которой приведена на рис. 2.9. Текущее значение
температуры реакционной смеси в реакторе t измеряется датчиком 7.
Сигнал с выхода датчика, соответствующий измеренному значе-
нию температуры /изм, подается в управляющее устройство 2, где
сравнивается с заданным значением температуры При наличии
2.3. Принципы управления
49
Рис. 2.9. Пример регулирования температуры в химическом реакторе по
отклонению:
1 — датчик температуры; 2 — управляющее устройство; 3 — исполни-
тельное устройство
разности температур (сигнала рассогласования или ошибки) УУ
вырабатывает управляющее воздействие (изменение расхода охлаж-
дающей воды FOXJ1), направленное на уменьшение сигнала рассог-
ласования. Оно стремится устранить отклонение независимо от
причин, вызвавших это отклонение, будь то возмущающее воздей-
ствие, изменение свойств системы управления или несоответствие
между рассчитанным и фактическим управляющим воздействием.
В связи с этим управление по отклонению можно назвать «гиб-
ким». Система управления по отклонению реагирует на изменения
управляемого параметра (температуры реакционной смеси) в ре-
зультате всех возмущающих воздействий, как контролируемых, так
и неконтролируемых.
Что характерно для способа управления по отклонению?
Обратная связь в замкнутой системе управления должна быть
отрицательной', в ответ на повышение температуры реакционной сме-
си в реакторе управляющее устройство должно увеличить расход хла-
дагента, что приведет к уменьшению температуры. Однако в системе
управления может возникнуть и положительная обратная связь: при
повышении температуры в реакторе управляющее устройство будет
уменьшать расход хладагента и тем самым еще больше повышать
температуру в реакторе. Одной из причин возникновения положи-
тельной обратной связи может быть техническая ошибка при созда-
нии системы управления (например, неправильная коммутация ли-
ний связи). Другой причиной является запаздывание в контуре уп-
равления. В результате управляющее воздействие, сформированное
в ответ на низкую температуру в реакторе некоторое время назад и
направленное на повышение температуры, может начать проявляться
50
Глава 2. Основные понятия управления ХТП
в тот момент, когда температура в реакторе уже будет повышена за
счет возмущающих воздействий.
На рис. 2.11, а показаны возможные графики процесса управле-
ния выходной температуры с помощью контура управления, пред-
ставленного на рис. 2.10. Из рис. 2.11, а видно, как положительная
обратная связь вызывает неустойчивость: при возрастании темпера-
туры /вых (управляемой переменной) регулятор увеличивает расход
пара Fn (управляющее воздействие), что приводит к еще большему
росту температуры 1ВЫХ. На рис. 2.11, б показано действие того же
самого контура регулирования, но с регулятором, уменьшающим
расход пара Fn; при таком управлении очевидно стремление регуля-
тора вернуть регулируемый параметр к заданному значению, т. е.
отрицательная обратная связь обеспечивает устойчивость.
Наличие обратной связи и инерционность процесса теплообме-
на вызывают колебательную реакцию замкнутого контура на возни-
Рис. 2.10. Пример регулирования температуры на выходе теплообменни-
ка по отклонению:
а — фрагмент технологической схемы с теплообменником (1 — первич-
ный измерительный преобразователь температуры; 2 — нормирующий
преобразователь; 3 — регулятор температуры; 4 — исполнительное уст-
ройство; 5 — теплообменник); б — структурная схема системы регули-
рования теплообменника по отклонению
2.3. Принципы управления
51
Рис. 2.11. Переходные процессы в системе регулирования теплообменника:
о — при возникновении положительной обратной связи; б — в результате
действия отрицательной обратной связи; в — колебательные переходные
процессы (1 — статический номинальный режим; 2 — переходный режим)
52
Глава 2. Основные понятия управления ХТП
кающие нарушения. Характеристики колебательного контура ока-
зывают существенное влияние на качество управления. На рис. 2.11, в
показан типичный процесс колебательного характера. При правиль-
ном управлении колебания измеряемого сигнала (в данном случае
температуры нагреваемого вещества на выходе из теплообменника)
должны устойчиво затухать и заканчиваться возвратом к заданному
значению. Одновременно колебания выходного сигнала управляю-
щего устройства (автоматического регулятора) должны также зату-
хать и сходиться к новому установившемуся значению. По сути сво-
ей колебательный процесс в системе управления с обратной связью
представляет собой реализацию метода проб и ошибок для решения
задачи управления.
Замечание
Житейский пример обратной положительной связи: собака, кусающая
себя за хвост, причем, чем больнее собаке, тем яростнее она пытается уку-
сить себя за хвост
Достоинства способа управления по отклонению (с обратной
связью):
а)	учитываются все возмущающие воздействия, оказывающие
влияние на управляемый параметр (температуру реакционной сме-
си в реакторе);
б)	требуется минимум информации о процессе (в данном случае
информация только о температуре реакционной смеси в реакторе).
Недостатки:
а)	управление по отклонению осуществляется методом проб и
ошибок;
б)	в системе управления по отклонению присутствует запазды-
вание, поскольку учитываются все возмущающие воздействия (по
всем каналам изменения расходов компонентов А и В, продукта С,
изменения температуры окружающей среды и т. д. — см. рис. 2.9).
Управление по отклонению инерционными объектами затруднено
из-за отсутствия быстродействия;
в)	при определенном сочетании свойств ОУ и УУ система управ-
ления с обратной связью может стать неустойчивой.
Пример
► Принципиальная структура системы управления с обратной
связью процессом теплообмена представлена на рис. 2.10. Цепочка
первичный измерительный преобразователь температуры 1 — нор-
мирующий преобразователь 2 измеряет текущее значение управляе-
мой переменной /вых, преобразует его в унифицированный сигнал и
посылает гизм в управляющее устройство 3 (регулятор), где /изм срав-
2.4. Классификация систем управления
53
нивается с заданным значением управляемой переменной /зд. В ре-
гуляторе 3 в соответствии с принятым законом регулирования выра-
батывается управляющее воздействие, направляемое на объект в виде
изменения положения затвора клапана исполнительного устройства 4,
с учетом знака и рассогласования между измеренным и заданным
значениями управляемой переменной. После того как рассогласова-
ние между управляющей переменной (изменение расхода греющего
пара F^) и переменными нагрузки вызовет отклонение управляемой
переменной /вых, регулятор, находящийся в цепи обратной связи,
начинает немедленно вырабатывать корректирующий выходной сиг-
нал. Как только выданный регулятором корректирующий сигнал
возвращает управляемую переменную Гвых к заданному установлен-
ному значению /зд (е = Гзд — /изм = 0), регулятор начинает поддержи-
вать свой выходной сигнал постоянным и продолжает отслеживать
управляемую переменную Гвых, ожидая другого возмущающего воз-
действия. 
2.3.4.	Комбинированное управление
Для комбинированных систем управления характерно использо-
вание информации о возмущающем воздействии, задающем воздей-
ствии и управляемом параметре (см. рис. 2.4, г).
Комбинированные системы управления имеют более высокое
качество управления, чем системы, работающие по отклонению,
поскольку информация о значении возмущающего воздействия по-
зволяет устройству управления работать с некоторым предвидени-
ем, т. е компенсировать основное внешнее возмущающее воздей-
ствие, вызывающее нарушение номинального режима, раньше, чем
появится достаточно большое отклонение текущего значения па-
раметра (температуры) от заданного. Комбинированная система
управления обладает точностью и быстродействием.
2.4.	КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
Классификация САУ по принципу управления, рассмотренная в
предыдущем разделе, не является единственной. Существует много
других признаков, которые могут быть положены в основу класси-
фикации систем управления. Следует иметь в виду, что важность
того или иного признака, отличающего системы управления, опре-
деляется конкретной задачей, решаемой в процессе анализа или
синтеза САУ. Основанные на каком-то признаке различия систем
управления, существенные при решении одной задачи, могут ока-
54
Глава 2. Основные понятия управления ХТП
заться совершенно незначительными при решении другой задачи.
Ниже обсуждаются только некоторые из наиболее часто используе-
мых признаков классификации САУ.
2.4.1.	По характеру изменения задающего воздействия
В зависимости от характера изменения задающего воздействия
УзД(т) САР с обратной связью подразделяются на три основных клас-
са: автоматической стабилизации, программного регулирования и
следящие системы.
В системах автоматической стабилизации задающее воздействие
представляет собой постоянную величину (см. рис. 2.9 при условии
(д — const). Область применения: непрерывные ХТП, в которых управля-
емый параметр нужно поддерживать на заданном постоянном значении.
В системах программного регулирования (рис. 2.12) задающее воз-
действие является известной функцией времени (изменяется по про-
грамме). Такие системы оснащены программными задатчиками, фор-
мирующими задающее воздействие, изменяющееся во времени. Об-
ласть применения: управление периодическими ХТП.
В следящей системе (рис. 2.13) задающее воздействие представ-
ляет собой неизвестную заранее функцию времени, связанную с
внешним по отношению к системе управления параметром, кото-
рый может изменяться случайным образом. Область применения'.
управление одним технологическим параметром (ведомым), находя-
щимся в зависимости от значения другого технологического пара-
метра (ведущего), изменяющегося произвольно (например, управле-
ние расходом воздуха, подаваемого на горелку, в зависимости от
расхода топлива). К следящим системам можно отнести систему
регулирования соотношения расходов двух веществ; в такой систе-
ме изменение расхода «ведомого» вещества находится в определен-
ном соотношении к изменению расхода «ведущего» вещества.
А
Рис. 2.12. Пример программной САР
2.4. Классификация систем управления
55
Рис. 2.13. Пример следящей САР
По способу организации основные процессы химической техно-
логии делятся на непрерывные, периодические и циклические.
Непрерывные химико-технологические процессы, как правило,
должны быть стационарны, т. е. параметры процесса в каждой точке
технологического аппарата должны оставаться неизменными во вре-
мени (при этом параметры процесса могут изменяться в простран-
стве от одной точки аппарата к другой). Следовательно, основной
задачей автоматических систем регулирования непрерывных про-
цессов является стабилизация технологических параметров.
Для периодических процессов характерно изменение во времени па-
раметров в технологическом аппарате в целом или в каких-либо его
частях, т. е. эти процессы являются нестационарными. Основной за-
дачей автоматических систем регулирования периодических процес-
сов является изменение технологических параметров в соответствии
с заранее заданной программой (программные системы регулирова-
ния) или в зависимости от текущего состояния какого-то другого
процесса (следящие системы регулирования).
Некоторые технологические аппараты работают в циклическом ре-
жиме: переменные, характеризующие состояние процесса, периоди-
чески изменяются. Примером циклического процесса является реге-
неративный теплообмен: насадка поочередно контактирует с горячим
и холодным потоками, передавая теплоту от одного потока другому.
Основное внимание в учебнике уделяется непрерывным ХТП.
2.4.2.	По числу контуров
По числу контуров прохождения сигналов САУ делятся на одно-
контурные и многоконтурные. Такое деление относится к структу-
рам систем управления. Одноконтурная система управления — это
замкнутая система управления с одной регулируемой величиной,
56
Глава 2. Основные понятия управления ХТП
имеющая одну главную обратную связь (с одним контуром управле-
ния). Многоконтурная система управления — это замкнутая система
управления, имеющая помимо одного контура главной обратной
связи другие главные обратные связи (или местные обратные свя-
зи), т. е. это система с несколькими контурами управления.
2.4.3.	По числу управляемых величин
По числу управляемых величин САУ делятся но одномерные и
многомерные. Одномерные системы управления имеют одну управ-
ляемую величину, а многомерные — несколько управляемых вели-
чин. Среди многомерных систем управления выделяют системы не-
связанного управления и системы связанного управления. Системы
несвязанного управления используют одноконтурные САР, не свя-
занные между собой. Объединяет эти контуры управления только
общий для них объект управления. В свою очередь системы несвя-
занного управления делятся на зависимые и независимые. В зависимых
системах несвязанного управления процессы управления различными
управляемыми параметрами нельзя рассматривать изолированно друг
от друга, поскольку на изменение одной из управляемых величин
влияют изменения других. В независимых системах несвязанного уп-
равления процессы управления различными управляемыми парамет-
рами можно рассматривать изолированно друг от друга, поскольку
изменение каждой из управляемых величин не зависит от измене-
ния других.
Область применения несвязанного управления', для объектов управ-
ления, в которых практически отсутствует взаимное влияние управ-
ляемых параметров.
Системы связанного управления используют многоконтурные САУ.
Чтобы ослабить присутствующее взаимное влияние управляемых
технологических параметров, управляющие устройства (контролле-
ры), предназначенные для управления различными технологичес-
кими параметрами одного и того же объекта управления, связывают
внешней связью, минуя объект управления.
2.4.4.	По характеру управляющих воздействий
В зависимости от прохождения и характера сигнала в системе
автоматического управления они делятся также на непрерывные и
дискретные (прерывистые).
Управление называют непрерывным, если контроллер непрерыв-
но изменяет управляющее воздействие в зависимости от изменения
задающего воздействия и управляемой величины.
2.4. Классификация систем управления
57
Управление называют дискретным, если контроллер вырабаты-
вает управляющее воздействие, принимающее одно из нескольких
возможных значений. Для дискретных (прерывистых) систем харак-
терно, что в них через дискретные промежутки времени происходит
размыкание или замыкание цепи воздействия.
Системы дискретного (прерывистого) управления подразделяют-
ся на импульсные или релейные.
В импульсных системах размыкание цепи воздействий выполня-
ется принудительно и периодически специальным прерывающим
устройством. Импульсные системы содержат импульсные элемен-
ты, способные преобразовать непрерывное изменение входной ве-
личины в дискретную импульсную выходную величину.
В релейных системах размыкание или замыкание цепи воздей-
ствий выполняется одним из элементов системы при непрерывном
значении входного воздействия. Релейные системы содержат реле
или элементы, имеющие релейную характеристику, которая прини-
мает два значения: минимально и максимально возможное.
Замечание
Часто на практике, управляя сложными химико-технологическими
объектами, применяют совместное непрерывное и дискретное управление.
Например, управление температурой пара, вырабатываемого энергобло-
ком, выполняется непрерывным изменением положения регулирующего
клапана подачи воды на впрыск; при сильных изменениях нагрузки бывает
необходимо и переключение в схеме питательных магистралей.
2.4.5.	По виду зависимости установившейся ошибки
от внешнего воздействия
Ранее было введено понятие ошибки регулирования (2.1):
е(т) = узд(т) - у(т).
Здесь узд(т) — задающее воздействие; j(t) — управляемый параметр
(выходная величина).
Для установившегося состояния системы уравнение (2.1) при-
нимает вид:
^уСт(^) [л’зд(^)]уст УуСтСО*
По виду зависимости установившейся ошибки ЕуСТ от внешнего
воздействия системы делят на статические и астатические.
Систему называют статической по отношению к внешнему воз-
действию, если при воздействии, стремящемся со временем к неко-
торому установившемуся значению, ошибка тоже стремится к по-
стоянному значению, зависящему от величины внешнего воздей-
58
Глава 2. Основные понятия управления ХТП
ствия. При наличии возмущающих воздействий статические систе-
мы не могут точно стабилизировать управляемый параметр.
Систему называют астатической по отношению к внешнему воз-
действию, если при воздействии, стремящемся со временем к неко-
торому установившемуся значению, ошибка стремится к нулю неза-
висимо от величины внешнего воздействия.
Одна и та же система автоматического управления может быть
статической по отношению к возмущающему воздействию и астати-
ческой по отношению к задающему воздействию. Системы автома-
тической стабилизации, где задающее воздействие сохраняет посто-
янное значение, обычно бывают астатическими по отношению к воз-
мущающему воздействию, а следящие системы — по отношению к
управляющему воздействию.
2.4.6.	По энергетическим признакам
Такие системы регулирования, в которых первичный измери-
тельный преобразователь (чувствительный элемент) воздействует
непосредственно на изменение положения РО (регулирующего орга-
на), называют системами прямого управления (регулирования), а ре-
гуляторы — регуляторами прямого действия. В регуляторах прямого
действия энергия для перемещения РО поступает непосредственно
из объекта управления через первичный измерительный преобразо-
ватель (чувствительный элемент).
Примечание
Реакция РО на первичный измерительный преобразователь в системах
прямого регулирования снижает чувствительность этого элемента и, как след-
ствие, ухудшается качество регулирования.
В системах непрямого (косвенного) управления для перемеще-
ния РО применяются вспомогательные устройства, работающие от
посторонних (внешних) источников энергии.
2.4.7.	По математическому описанию
При анализе и расчете систем управления необходима ее мате-
матическая модель, определяющая изменение переменных состоя-
ния системы с течением времени.
Практически все системы управления ХТП не линейны, и их
точное математическое описание представляет собой значительные
трудности. Собственно, и не всегда нужно стремиться к точному
математическому описанию системы, если это не определено прак-
тическими задачами.
2.5. Структурные схемы САУ
59
САУ делят на линейные и нелинейные в зависимости от того, ка-
кие в основе математической модели лежат уравнения (линейные
или нелинейные). Далее линейные и нелинейные системы могут быть
непрерывными, дискретными, дискретно-непрерывными.
Непрерывные системы описываются дифференциальными урав-
нениями; дискретные описываются дифференциально-разностными;
дискретно-непрерывные — обоими видами уравнений. В свою оче-
редь, каждый из названных трех классов подразделяется на под-
классы (см. разд. 3.1.1):
•	стационарные системы с сосредоточенными параметрами;
•	стационарные системы с сосредоточенными параметрами и
распределенными параметрами;
•	нестационарные системы с сосредоточенными параметрами;
•	нестационарные системы с сосредоточенными параметрами и
распределенными параметрами.
Системы (их математические модели) могут также разделены на
детерминированные и стохастические.
Если воздействия, приложенные к системе, и параметры модели
являются постоянными или детерминированными функциями пе-
ременных состояния и времени, математическую модель системы
называют детерминированной.
Если воздействия, приложенные к системе, и параметры модели
являются случайными функциями или случайными величинами, ма-
тематическую модель системы называют стохастической.
2.5.	СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ САУ
Система автоматического управления состоит из отдельных эле-
ментов, выполняющих свои функции так, чтобы управляемая вели-
чина могла быть поддержана на заданном значении или изменяться
по определенному закону. Элементы взаимосвязаны между собой и
в целом образуют структуру САУ. В общем случае под структурой
САУ можно понимать совокупность частей (элементов) системы, на
которые ее можно разбить по определенным признакам, и путей
передачи сигналов между ними.
Различают следующие структуры САУ: алгоритмическая, функ-
циональная и конструктивная.
Под алгоритмической структурой САУ понимают структуру, в
которой каждая ее часть предназначена для выполнения определен-
ного алгоритма преобразования входной величины, причем он яв-
ляется частью алгоритма функционирования всей САУ.
В функциональной структуре САУ каждая ее часть (элемент) вы-
полняет какую-то вполне определенную функцию; эти функции могут
60
Глава 2. Основные понятия управления ХТП
быть основными, такими как получение информации, ее переработ-
ка, сравнение сигналов, формирование законов управления, или
вспомогательными, такими как передача сигналов, преобразование
формы представления информации. Конечно, такое функциональ-
ное деление САУ условно.
Структуру САУ, в которой ее части (элементы) представляют
собой самостоятельные законченные конструкции, называют кон-
структивной структурой САУ. Графическое изображение структуры
САУ в виде прямоугольников с указанием в них условных обозначе-
ний путей передачи воздействий (сигналов) в виде линий со стрел-
кой в направлении передачи воздействий (сигналов) называют струк-
турной схемой САУ. С точки зрения теории автоматического управ-
ления большой интерес представляет функциональная структурная
схема.
Замечание
В дальнейшем изложении под термином «структурная схема» понима-
ется именно функциональная структурная схема.
2.6.	ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СТРУКТУРА САР
Функциональная структурная схема системы автоматического
регулирования с одной регулируемой величиной j(t) представлена
на рис. 2.14.
Рис. 2.14. Функциональная схема САР
ОУ — объект управления; ПИП — первичный измерительный преобра-
зователь; НП — нормирующий преобразователь; И ИС — информацион-
но-измерительная система; Р — регулятор; ИУ — исполнительное уст-
ройство; ИМ — исполнительный механизм; РО — регулирующий орган
2.6. Функциональная структура САР
61
Система состоит из объекта управления (ОУ) и управляющего
устройства, к которому можно отнести измерительное устройство
(или информационно-измерительную систему, ИИС), автоматичес-
кий регулятор и исполнительное устройство. В химической техно-
логии ОУ может быть, например, реактор, в котором управляющее
устройство должно поддерживать заданный технологический режим.
Рассмотрим подробно функциональные элементы, входящие в
управляющее устройство.
Первичный измерительный преобразователь (ПИП — чувствитель-
ный элемент, сенсор) предназначен для преобразования регулируе-
мого параметра в сигнал измерительной информации в форме, удоб-
ной для обработки и дальнейших преобразований. Например, тер-
моэлектрический преобразователь, представляющий собой спай двух
разнородных проводников, преобразует температуру в термоэлект-
ролвижущую силу (ТЭДС).
Нормирующий преобразователь (НП) служит для взаимного со-
гласования входящих в систему управления элементов и дистанци-
онной передачи сигналов по каналам связи. Он осуществляет пре-
образование сигнала, полученного от ПИП, в эквивалентный ему
унифицированный сигнал. Возможно преобразование сигнала од-
ной физической природы в унифицированный сигнал той же самой
физической природы (например, преобразование ТЭДС в унифици-
рованный токовый сигнал от 0 мА до 5 мА) или в унифицированный
сигнал другой физической природы (например, преобразование ТЭДС
в унифицированный пневматический сигнал от 20 кПа до 100 кПа).
Полученный унифицированный сигнал соответствует текущему зна-
чению регулируемого параметра и может передаваться не только к
регулятору, но и к вторичному измерительному прибору или на си-
стемы более высокого уровня иерархии.
ПИП и НП являются элементами информационно-измеритель-
ной системы (ИИС).
Сигнал, соответствующий заданному значению регулируемого
параметра узд(т) формируется задающим устройством (на рис. 2.14
не изображено). Величина задающего воздействия может быть по-
стоянной или изменяться по определенному закону.
Примечание
В некоторых случаях задающее устройство конструктивно объединено
с регулятором.
Регулятор (Р) с помощью элемента сравнения определяет откло-
нение текущего значения регулируемого параметра от заданного
значения и формирует командный сигнал в соответствии с заложен-
ным в нем алгоритмом регулирования. Сигнал, формируемый регу-
62
Глава 2. Основные понятия управления ХТП
лятором, по мощности не всегда достаточен, чтобы управлять ИУ,
поэтому регулятор часто снабжается усилителем мощности.
Устройство автоматической системы управления, воздействую-
щее на технологический процесс в соответствии с полученным от
регулятора командным сигналом, называется исполнительным уст-
ройством (ИУ). Как правило, в нем можно выделить два функцио-
нальных элемента: регулирующий орган и исполнительный меха-
низм.
Исполнительный механизм (ИМ) предназначен для усиления мощ-
ности командного сигнала, получаемого от регулятора, и воздей-
ствия на регулирующий орган (РО).
Примечание
Исполнительный механизм, перемещающий затвор регулирующего
органа, часто называют исполнительным двигателем, или серводвигателем
(сервомеханизмом).
Регулирующий орган (РО) — техническое средство изменения
материального или энергетического потока, влияющего на регули-
руемую величину в ОУ. Это устройство, непосредственно воздей-
ствующее на ОУ для поддержания заданного значения регулируе-
мой величины или изменения ее по заданному закону.
При исследовании динамических свойств системы регулирова-
ния по каналу задающего воздействия (вход — задающее воздей-
ствие узд(т), выход — регулируемая величина у(т), возмущающее воз-
действие отсутствует или является постоянной величиной), систему
автоматического управления удобно изображать упрощенной струк-
турной схемой, представленной на рис. 2.15.
При исследовании динамических свойств системы регулирова-
ния по каналу возмущающего воздействия (вход — возмущающее
воздействие г/(т), выход — регулируемая величина у(т), задающее
воздействие является постоянной величиной) САР обычно изобра-
жают упрощенной структурной схемой, представленной на рис. 2.16.
Для повышения устойчивости и улучшения динамических свойств
системы управления в нее вводят корректирующие устройства (на
рис. 2.14 не показаны). В зависимости от способов подключения
корректирующие устройства делятся на последовательные и парал-
лельные. С помощью последовательных корректирующих устройств
происходит преобразование сигнала ошибки, и в управляющее
уЭД(1)в/<>Е('сМ р | °(т)I ~ b И(т)
Рис. 2.15. Структурная схе-
ма САР по каналу задаю-
щего воздействия
2.6. Функциональная структура САР
63
Рис. 2.16. Структурная схема САР по каналу возмущающего воздействия
воздействие вводятся составляющие, пропорциональные производ-
ной и интегралу от ошибки по времени. Параллельные корректиру-
ющие устройства (местные дополнительные обратные связи) пода-
ют сигнал с выхода элемента на вход одного из предыдущих. Функ-
ции корректирующих устройств могут выполнять компьютеры.
Рассмотрим конкретный пример автоматической системы регу-
лирования уровня жидкости в резервуаре. Принципиально система
регулирования может быть построена, как это показано на рис. 2.17.
Уровень жидкости £(т) зависит от разности управляющего воздей-
ствия — притока и возмущающего воздействия — стока Евых(т).
Если Евх(т) > Евых(т), то уровень жидкости в резервуаре 1 растет.
Если Евх(т) < Евых(т), то уровень жидкости в резервуаре уменьшает-
ся. Величина управляющего воздействия — притока Евх(т) определя-
ется положением затвора регулирующего органа (РО), перемещае-
мого электроприводом (ИМ).
Рис. 2.17. Схема САР уровня жидкости в резервуаре:
РО — регулирующий орган; ИМ — исполнительный механизм (элект-
ропривод); 1 — резервуар; 2 — измерители расхода;.? — алгебраические
блоки извлечения корня; 4— уровнемер; 5 — регулятор; 6— усилитель
мощности
64
Глава 2. Основные понятия управления ХТП
Сигнал, соответствующий действительному значению уровня
жидкости £(т), измеряется уровнемером 4 [£изм(т)] и сравнивается
с требуемым (заданным) уровнем £зд. Регулятор 5 в зависимости от
величины и знака рассогласования е(т) с помощью электропривода
увеличивает приток жидкости Fbx(t), если е(т) > 0, или уменьшает
приток жидкости Fbx(t), если е(т) < 0, поддерживая равенство FBX(r)
и РвыхСт) при заданном значении уровня £зл. Поскольку приток жид-
кости зависит не только от положения затвора регулирующего орга-
на, но и от других параметров (например, от перепада давления на
РО), для повышения точности регулирования величина £вх(т) из-
меряется и используется при формировании управляющего воз-
действия. Это приводит к появлению местной обратной связи. Изме-
нение стока £вых(т) нарушает материальный баланс в системе, т. е.
является возмущающим воздействием. Измеренное значение £вых(т)
используется регулятором для компенсации этого возмущающего
воздействия. Тем самым в системе используется как принцип уп-
равления по отклонению, так и принцип управления по возмуща-
ющему воздействию. Результатом является комбинированное регули-
рование.
Выходной сигнал некоторых расходомеров 2 пропорционален
квадрату расхода жидкости (см. разд. 5.8.1). Чтобы получить сигнал,
пропорциональный расходу, цепи измерения расходов содержат ал-
гебраические блоки извлечения корня 3.
Обозначив £зд = узд(т) — задающее воздействие, Гвых(т) = г/(т) —
возмущающее воздействие, £(т) = у (т) — выход системы, САУ уров-
ня жидкости в резервуаре можно представить структурной функци-
ональной схемой, изображенной на рис. 2.18.
Рис. 2.18. Функциональная схема САР уровня жидкости в резервуаре:
/ — задающее устройство; 2 — элемент сравнения; 3 — регулятор;
4 — усилитель мощности; 5— электропривод; 6— регулирующий орган;
7 — объект управления (резервуар); 8 — уровнемер; 9, 10 — линейные
расходомеры
2.7. Качество процесса управления
65
2.7.	КАЧЕСТВО ПРОЦЕССА УПРАВЛЕНИЯ
Прежде чем приступить к анализу или синтезу системы управле-
ния, нужно выяснить, какими свойствами она должна обладать, и
договориться о том, как измерять ее качество.
1.	Система управления должна быть устойчивой и предсказуе-
мым образом реагировать на входные воздействия. Требование ус-
тойчивости является обязательным для всех систем управления, так
как только устойчивая система работоспособна.
2.	Все реальные системы подвержены возмущающим воздействи-
ям. Поэтому важную роль приобретает способность системы управ-
ления подавлять возмущающие воздействия.
3.	Модель физической системы никогда не является точной.
В связи с этим характеристики реальной системы управления долж-
ны быть малочувствительны к параметрам математической модели,
которая использовалась при синтезе. Кроме того, характеристики
реальной системы управления должны быть малочувствительны к
параметрам объекта управления, которые могут изменяться с тече-
нием времени и в зависимости от окружающих условий (температу-
ры, влажности, давления и др.). Другими словами, система управле-
ния должна быть достаточно грубой (робастной).
2.7.1. Переходный процесс
Система управления постоянно находится в движении, т. е. по
сути своей является динамической системой, так как даже если зада-
ющее воздействие не меняется, возмущающие воздействия суще-
ствуют постоянно и носят случайный характер. Поэтому особый ин-
терес при анализе качества представляет поведение системы управ-
ления во времени.
Примечание
Динамическая система в своем первоначальном значении — это меха-
ническая система с конечным числом степеней свободы, состояние которой
характеризуется ее расположением (конфигурацией) и скоростью измене-
ния последнего, а закон движения указывает, с какой скоростью изменяется
состояние системы. В более широком смысле термин «динамическая сис-
тема» означает произвольную физическую систему, например САУ, движе-
ние которой описывается системой обыкновенных дифференциальных урав-
нений.
Если система управления устойчива, то показатели качества
можно определить по реакции системы на определенный входной
сигнал. Такой метод определения показателей качества называется
прямым.
3 Беспалов А В . Харитонов Н. И.
66
Глава 2. Основные понятия управления ХТП
Примечание
Существуют также косвенные методы анализа качества управления, на-
пример, по распределению корней характеристического уравнения систе-
мы (см. разд. 3.4.5).
Поскольку заранее не известно, каким в реальных условиях бу-
дет входное воздействие, при анализе качества системы управления
обычно выбирается некоторый типовой тестовый сигнал. Одним из
наиболее распространенных и тяжелых для систем управления ти-
повых тестовых сигналов является ступенчатый (рис. 2.19, а). Если
система управления удовлетворяет требованиям в условиях ступен-
чатого воздействия, она почти наверняка будет нормально работать
и в реальных условиях. Кроме того, системы управления в процессе
эксплуатации подвергаются внешним воздействиям, которые по виду
очень близки к ступенчатому воздействию.
Изменение выходной величины системы во времени с момента
нанесения воздействия до прихода ее в новое установившееся со-
стояние называют переходным процессом, т. е. процессом перехода из
одного установившегося состояния в другое. Протекание переход-
ного процесса определяется динамическими свойствами системы,
входными воздействиями, а также начальными условиями. Пере-
ходный процесс у(т) имеет две составляющие:
У(т) = УсСО + УвынСО-	(2-2)
Составляющая ус(т) называется свободным (или собственным)
движением и зависит от свойств системы и начальных условий. Со-
ставляющая увын(т) называется вынужденным движением и зависит
от свойств системы и входного воздействия. Одно и то же входное
воздействие вызывает, в зависимости от динамических свойств сис-
темы, различные переходные процессы.
В случае, когда на систему, находившуюся при нулевых начальных
условиях, оказано единичное ступенчатое воздействие (рис. 2.19, а),
изменение во времени выходной величины системы обозначается
Л(т) и называется переходной функцией, а ее графическое изображе-
ние — переходной характеристикой (об этом подробнее см. разд. 3.2.2).
На рис. 2.19 приведены примеры переходных характеристик:
•	апериодический сходящийся переходный процесс (рис. 2.19, б),
в котором наблюдается плавное отклонение выходной величины Л(т)
от первоначального установившегося значения и постепенный пе-
реход в новое установившееся состояние;
•	колебательный сходящийся переходный процесс (рис. 2.19, в),
в котором выходная величина колеблется с постепенно затухающей
амплитудой и, в конечном итоге, приходит в установившееся состо-
яние, достигая
2.7. Качество процесса управления
67
3*
Рис. 2.19. Возможный вил переходных характеристик системы регулирования
68
Глава 2. Основные понятия управления ХТП
•	апериодический расходящийся переходный процесс (рис. 2.19, г),
в котором наблюдается непрерывно возрастающее отклонение вы-
ходной величины от установившегося значения;
•	колебательный расходящийся переходный процесс (рис. 2.19, Э),
в котором амплитуда колебаний выходной величины со временем
постепенно нарастает;
•	колебательный гармонический переходный процесс (рис. 2.19, е),
в котором амплитуда колебаний выходной величины со временем
не меняется (характерен для консервативных систем).
Замечание
На качество и вид переходного процесса в системе управления оказы-
вают влияние как свойства технологического объекта управления, так и
свойства управляющего устройства и степень его воздействия на объект.
Увеличение воздействия управляющего устройства на объект приводит к
тому, что переходный процесс в системе управления изменяется от апери-
одического сходящегося до колебательного сходящегося. При слишком
большом воздействии система может даже стать неустойчивой.
2.7.2.	Устойчивость
При синтезе системы управления ключевой проблемой является
обеспечение ее устойчивости.
Строгое определение устойчивости, пригодное на все случаи
жизни, дать очень сложно. При исследовании линейных систем
пользуются двумя определениями, приведенными ниже.
1.	Ограниченный вход — ограниченный выход. Система считается
устойчивой, если при ограниченном входном сигнале ее выходной
сигнал также является ограниченным.
Примечание
Ограничения на выходной сигнал накладываются требованиями тех-
нологии. Если ограниченное входное воздействие приводит к такому изме-
нению управляемого параметра, при котором технологический режим ос-
тается приемлемым, то система управления считаются устойчивой. Если же
изменение управляемого параметра приводят к недопустимому технологи-
ческому режиму, то система управления считается неустойчивой.
2.	Устойчивость по начальным условиям. Устойчивость определя-
ют по поведению системы управления, выведенной с помощью ка-
кого-то воздействия из состояния равновесия и предоставленной
самой себе после устранения этого воздействия. Система управле-
ния считается устойчивой, если она возвращается к исходному состо-
янию равновесия. Неустойчивая система удаляется от состояния рав-
новесия или совершает вокруг него колебания с нарастающей ам-
2.7. Качество процесса управления
69
плитудой. Если же система приходит в новое установившееся состо-
яние или совершает колебания с постоянной амплитудой, то гово-
рят, что она находится на границе устойчивости. Таким образом, под
устойчивостью понимают способность системы вернуться в исход-
ное равновесное состояние после устранения возмущающего воз-
действия, нарушившего ее равновесие.
Системы являются устойчивыми, если составляющая свободного
движения ус(т) со временем стремится к нулю:
Нгпус(т) = 0.
Устойчивы и, следовательно, работоспособны системы, в кото-
рых имеют место переходные процессы, показанные на рис. 2.19, б, в.
Ограниченно устойчивы системы, в которых наблюдается переход-
ный процесс, изображенный на рис. 2.19, е. Неустойчивы и, следо-
вательно, неработоспособны системы, которым соответствуют пе-
реходные процессы на рис. 2.19, г, д.
Устойчивость является необходимым, но не достаточным усло-
вием пригодности систем управления. Качество систем управления
оценивается также по их поведению в установившемся и переход-
ном режимах с помощью количественных параметров, называемых
показателями качества. Требования к системе управления, сформу-
лированные в виде ее показателей качества, позволяют ответить на
вопрос о том, насколько хорошо система выполняет задачу, ради
которой она была спроектирована.
2.7.3.	Показатели, характеризующие
точность регулирования
Различие между желаемой и достигнутой целью управления ле-
жит в основе показателей, характеризующих точность управления.
В случае систем регулирования целью является заданное состоя-
ние объекта регулирования. Следовательно, точность регулирова-
ния определяется разницей между заданным и текущим значением
регулируемого параметра, т. е. ошибкой (погрешностью) регулирова-
ния (2.1):
е(т) = Узд(Т) - J(T).
Максимальная погрешность етах — наибольшее отклонение уп-
равляемого параметра от его заданного значения в процессе управ-
ления после нанесения на объект управления возмущающего воз-
действия. В общем случае величину максимальной погрешности стре-
мятся уменьшить до минимума.
70
Глава 2. Основные понятия управления ХТП
Статическая ошибка управления е„. Разность между новым ус-
тановившимся значением управляемого параметра и его задан-
ным значением определяет значение статической ошибки управ-
ления
е.„ - е(°°) = lim е(т).	(2.3)
Статическая ошибка управления также должна стремиться к
минимуму.
2.7.4.	Показатели, характеризующие
быстродействие
Время переходного процесса тпп — это продолжительность пере-
ходного процесса, охватывающего временной интервал от момента
нанесения возмущающего или управляющего воздействия до дости-
жения управляемым параметром нового установившегося значения
с заданной точностью:
|й(т)-/Ц<Д Vt > тпп,	(2.4)
где = Л(~)= lim й(т).
Если * 0, то величину Д задают как некоторую долю от нового
установившегося значения, составляющую обычно от 2 % до 5 %,
иногда до 10 %, например, Д = 0,05Л„.
Время переходного процесса в системах регулирования называ-
ют иногда временем регулирования.
Время переходного процесса характеризует быстродействие сис-
темы и, как правило, должно быть минимальным.
Время достижения первого максимума ттах в колебательном схо-
дящемся процессе должно быть минимальным.
2.7.5.	Показатели, характеризующие
колебательность переходного процесса
В системе регулирования с обратной связью, находящейся на
границе устойчивости, возникают незатухающие колебания регули-
руемой величины (рис. 2.19, е). Чем устойчивее система, тем быст-
рее затухают колебания в переходном процессе. Следовательно, по-
казатели, характеризующие колебательность переходного процесса,
характеризуют одновременно и запас устойчивости системы.
2.7. Качество процесса управления	71
Степенью затухания у называют отношение разности двух со-
седних, направленных в одну строну амплитуд, Л, и А3, к первой из
них А{:
V=[(Al-A3)/Al]100%.	(2.5)
Как следует из выражения (2.5), возможны три типа колебатель-
ных процессов. Если у > 0, то колебания затухают (переходный про-
цесс 2 рис. 2.19, в). Если у = 0, то колебания являются незатухаю-
щими (переходный процесс 5 рис. 2.19, е). Если у < 0, то колебания
расходятся (переходный процесс 4 рис. 2.19, д).
Перерегулирование выражается иногда как отношение амплитуд
колебаний, направленных в разные стороны (например, второй ам-
плитуды — направлена вниз, к первой — направлена вверх):
о = (A2/At)- 100%.	(2.6)
Перерегулирование также определяется выражением
с = [(Emax - eJ/Ej • Ю0%.	(2.7)
Обычно САР настраиваются так. чтобы перерегулирование со-
ставляло от 10 % до 30 %.
Логарифмический декремент затухания'.
S = 1g (Л,/Л3).	(2.8)
Колебательность системы можно охарактеризовать числом ко-
лебаний управляемой величины за время переходного процесса тпп.
Если в системе за время переходного процесса совершено число
колебаний меньше заданного, то система имеет требуемое качество
управления по колебательности.
2.7.6.	Интегральные показатели
качества регулирования
Предъявляемые к системе управления требования по точности и
быстродействию, основанные на перечисленных выше показателях
качества, являются противоречивыми и не могут быть удовлетворе-
ны одновременно. Если настроить систему управления так, чтобы
точность регулирования была высокой, то переходные процессы в
ней будут продолжаться слишком долго. Наоборот, настройка сис-
темы управления, повышающая ее быстродействие, увеличивает
ошибки регулирования. Таким образом, оптимальная система регу-
лирования почти всегда основана на компромиссе между точностью
и быстродействием.
72
Глава 2. Основные понятия управления ХТП
Для совместной оценки точности и быстродействия систем уп-
равления используют интегральные показатели качества регулиро-
вания. В общем случае интегральный показатель качества имеет вид:
J = JZ[e(x), «(т), у(т), фт,
о
где f — некоторая функция ошибки, управляющего воздействия,
регулируемой величины и времени.
Оптимальной считается система управления, которой соответ-
ствует минимальное значение интегрального показателя качества.
Среди интегральных показателей качества регулирования наи-
большую практическую ценность представляют следующие четыре.
Янтеграл от Модуля Ошибки (ИМО)
ИМО = ||е(т)|дт	(2.9)
о
используется при имитационном моделировании на компьютере.
Для уменьшения вклада большой первоначальной ошибки и учета
ошибки, появляющейся в дальнейшем, применяется Янтеграл от
взвешенного по Бремени Модуля Ошибки (ИВМО):
ЯБМО = J т |е (т)| dx	(2.10)
о
Янтеграл от Квадрата Ошибки (ИКОу.
И КО = Jf2(r)dT.	(2.11)
о
Янтеграл от взвешенного по Бремени Квадрата Ошибки (ИВКО)\
И В КО = jTE2(T)dT.	(2.12)
о
Оценка качества по ИВМО из рассматриваемых является одной
из наилучших, поскольку с ее помощью проще всего находят мини-
мальное значение интеграла при изменении параметров системы.
Примечание
Верхний предел интегрирования выбирается достаточно произволь-
но, но лучше для практической оценки верхний предел брать равным
времени переходного процесса, т. е. чтобы интеграл стремился к конеч-
ному значению.
2.7. Качество процесса управления
73
Показатели качества выбирают в зависимости от требований,
предъявляемых к системе управления. Система управления обладает
необходимым качеством, если она удовлетворяет заданным услови-
ям качества, а переходный процесс не выходит из области допусти-
мых значений.
2.7.7.	Типовые оптимальные процессы
регулирования
Оптимальным процессом регулирования называют процесс, ко-
торый соответствуют минимуму (или максимуму) какого-либо по-
казателя качества регулирования. В зависимости от регулируемого
технологического процесса и возмущающих воздействий наилучшими
могут быть признаны различные по своему характеру процессы ре-
гулирования.
Из устойчивых переходных процессов в качестве оптимального
(удовлетворяющего технологическим требованиям) выбирают один
из трех, приведенных на рис. 2.20:
1)	граничный апериодический процесс с минимальным време-
нем регулирования тпп min (рис. 2.20, а);
2)	процесс с 20-процентным перерегулированием и минималь-
ным временем первого полупериода колебаний (рис. 2.20, б);
3)	процесс с минимальным значением интеграла от квадрата
ошибки (ИКО)тт (рис. 2.20, в).
Для граничного апериодического переходного процесса характер-
но отсутствие перерегулирования, наименьшее воздействие управ-
ляющего устройства на объект и минимальное время регулирования
тпп по сравнению с процессами 2 и 3.
Примечание
Наименьшее воздействие управляющего устройства на объект приво-
дит к наибольшей среди трех оптимальных процессов регулирования мак-
симальной погрешности регулирования етах.
Область применения: при значительном влиянии воздействия,
которое является управляющим для рассматриваемой регулируемой
величины, на другие технологические величины объекта (для кото-
рых оно является возмущающим воздействием), чтобы свести их
отклонение к минимуму.
Для процесса с 20-процентным перерегулированием характерны
большее управляющее воздействие и большее время регулирования
тпп, но меньшая максимальная погрешность регулирования (по срав-
нению с процессом /).
74
Глава 2. Основные понятия управления ХТП
Рис. 2.20. Типовые оптимальные переходные процессы регулирования
Область применения-, при управлении объектами, которые допус-
кают перерегулирование. Минимальное время первого полупериода
колебаний, в котором имеет место наибольшее отклонение регули-
руемой величины от задания, является преимуществом, если осталь-
ная часть переходного процесса, где отклонения от задания уже срав-
нительно невелики, менее существенна.
Для процесса, обеспечивающего минимум интегрального квадра-
тичного критерия, характерны наибольшее управляющее воздей-
ствие, наибольшее время регулирования тпп и наименьшая макси-
мальная погрешность регулирования Етах (по сравнению с процес-
сами 1 и 2), а также значительное перерегулирование (до 40 %).
Область применения: управление объектами, для которых макси-
мальная погрешность регулирования етах должна быть как можно
меньше.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Что понимают под управлением?
2.	Как можно описать состояние объекта управления?
3.	Объясните понятия «управление», «регулирование», «объект управ-
ления», «управляющее устройство».
Контрольные вопросы
4.	Каково назначение АСУП, АСУ ТП и локальных САР?
5.	Дайте определение САУ.
6.	Какими переменными характеризуется объект управления?
7.	Каковы основные принципы управления?
8.	Объясните сущность понятий «прямая связь» и «обратная связь».
9.	Какие воздействия называются возмущающими, а какие — управ-
ляющими?
10.	Поясните понятия «качественные (интенсивные) параметры» и «ко-
личественные (экстенсивные) параметры».
12.	Сравните управление по отклонению с управлением по возмущаю-
щему воздействию.
13.	Что характерно для комбинированного управления?
14.	По каким признакам классифицируют системы управления?
15.	Чем отличается астатическая система управления от статической?
16.	Что понимают под структурой САУ?
17.	Из каких функциональных элементов состоит САР?
18.	Как оценить качество управления?
19.	Что понимают под устойчивостью системы управления?
20.	Назовите основные показатели качества управления.
21.	Какие показатели качества позволяют одновременно оценивать как
точность, так и быстродействие систем управления?
22.	Охарактеризуйте типовые оптимальные процессы регулирования.