OSNOVNI STRUKTURNI OBLICI UPRAVLJANJA

1. OSNOVNI STRUKTURNI OBLICI UPRAVLJANJA Upravljanje sustava može se razložiti na tri osnovna oblika upravljanja. 1) programno upravljanje, 2) upravljanje u unaprijednoj vezi, 3) upravljanje u povratnoj vezi. Složeni upravljački sustavi nastaju sintezom tri osnovna oblika upravljanja.

2. Osnovni oblici upravljanja su definirani za jednostavan sustav s jednom veličinom stanja i/ili izlaznom veličinom, a njihovim povezivanjem stvaraju se složene upravljačke strukture s više ulaznih i izlaznih veličina. Č Č Č Č Č Č Shematski prikaz programnog upravljanja

3. Iz prikaza programnog upravljanja vidljive su osnovne značajke ovog upravljanja: 1) Upravljački sustav prima isključivo ulaznu informa-cijsku veličinu iz okoline, a nema informaciju o stanju ulazne procesne niti veličine stanja procesa ili izlazne veličine. 2) Poremečaji koji djeluju na proces, bilo da se djeluju iz okoline s ulaznom veličinom ili nastaju u samom procesu, kao informacija ne dolaze do upravljačkog sustava. 3) Izlazna veličina upravljačkog sustava nastaje izvođe-njem programa koji je upisan u pamtilo upravljačkog sustava, odatle i naziv ovog načina upravljanja.

4. Upravljački sustav najčešće ima u pamtilu cijeli niz mogućih upravljačkih programa čije izvođenje se aktivira na osnovu ulazne informacijske veličine. Upravljački sustav može biti jednostvane izvedbe, kao {to su različiti mehanički "programatori”, ili je to suvremena upravljačka jedinica kao što su PLC ( programmable logic controller), osobna računala (PC ) ili procesna računala. Ovo je najzastupljeniji način upravljanja u industriji ali se vrločesto mora kombinirati s ostalim oblicima upravljanja kako bi se postigla kompenzacija poremečaja. Programno upravljanje se može samostalno uprabiti samo u slučajevima kada na proces ne djeluju poremečaji iz okoline, odnosno kada je njihov utjecaj zanemariv.

5. Primjeri programnog upravljanja: - programno upravljanje procesa pripreme ambalaže, pakiranja proizvoda, skladištenja, utovara ( paletizicija ) - programno upravljanje priprema sirovina za mješalice ili reaktore prema recepturama ( program ) - programno upravljanje skladištima sirovina i proizvoda ( robotizacija skladišta ) - programno upravljanje procesima pripreme bioreaktora ( program predpranja, toplinske sterilizacije, unosa inokuluma itd. )

6. Unaprijedno upravljanje ulazne procesne veličine izlazna veličina X P1 Y + P R O C E S X + P2 upravljačka veličina ulazna informacijska U veličina UPRAVLJAčKI S U S T A V X I mjerni signal X P1m Unaprijedno upravljanje zasniva se na mjerenju poremečaja ulazne procesne veličine. Zadaća upravljačkog sustava je kompenzacija mjerenog poremećaja ulazne procesne veličine.

7. Na sustav (slika) djeluju tri ulazne veličine, dvije procesne XP1 i XP2, i ulazna informacijska veličina XI. Upravljački sustav prima slijedeće dvije informacije: iz okoline sustava, to je ulazna informacijska veličina XI; informaciju u obliku mjernog signala, XP1m, o poremečaju ulazne procesne veličine XP1. Prva procesna ulazna veličina XP1 djeluje kao poremečaj na proces. Ta veličina mora biti obavezno mjerljiva ( mjerljiva ulazna procesna veličina ) ali nije nužno upravljiva ( nije manipulativna ). Druga ulazna procesna veličina XP2 nije nužno mjerljiva ali je obavezno upravljiva ( manipulativna ulazna procesna veličina). Izlazna veličina, U, upravljačkog sustava djeluje na manipulativnu procesnu ulaznu veličinu XP2.

8. Algoritam upravljanja zasniva se na predviđanju djelovanja ulaznih veličina, poremečaja XP1i manipulativne XP2na stanje i/ili izlaznu veličinu Y procesa. Predviđanje djelovanja ostvaruje se matematičkim modelom procesa. Djelovanje upravljačkog sustava nužno mora imati značajno manju vremensku konstantu od upravljanog procesa kako bi se postigla kompenzacija poremečaja prije nego li što se značajno odrazi na sam proces. Ulazna informacijska veličina XI je informacija o željenim promjenama stanja procesa. Ako je ulazna informacijska veličina konstantna onda se radi o referentnoj vrijednosti izlazne veličine i tada govorimo o unaprijednoj regulaciji procesa.

9. Kod upravljanja biotehnološkim procesima (bioreaktora), koji su najčešće nestacionarni, ulazna informacijska veličina je promjenljiva. Za unaprijedno upravljanje potreban je " inverzni model " procesa kojim je moguće odrediti promjene upravljive ulazne procesne veličine XP2 za zadane informacije o poremečaju XP1 i ulaznoj informaciji XI. Unaprijednim upravljanjem nije moguće kompenzirati nemjerene poremećaje, kao što su poremećaji koji nastaju u samom procesu ili poremećaji u nemjerenim ulaznim veličinama. Također je specifičnost unaprijednog upravljanja izrazita zavisnost točnosti upravljanja o pogreškama modela. Pogreške modela se ne mogu kompenzirati i mogu imati za posljedicu značajne pogreške upravljanja. Nedostaci unaprijednog upravljanja se kompenziraju u sintezi s upravljanjem u povratnoj vezi.

10. Shematski prikaz unaprijedne regulacije pH Č Č Č Č Č Č

11. Na slici dan je shematski prikaz unaprijedne regulacije pH u bio-reaktoru za proizvodnju mlječne kiseline. Pritoci melase i lužine (CaCO3 ) su dvije ulazne procesne veličine. Budući da se fermen-tacija provodi s prihranjivanjem, proces nije stacionaran i pritok melase mora biti promjenljiv. Promjena pritoka melase kao i pro-izvodnja mikroorganizama imaju za posljedicu stalnu promjenu pH u reaktoru. Zbog inhibirajućeg djelovanja kiseline na rast i produktivnost mikroorganizama potrebno je pH regulirati. Unaprijednom regulacijom moguće je kompenzirati poremećaje prije nego li što se izazove deaktivacija biomase. Pritok melase je promjenljiva ulazna veličina, odnosno je to ulazni poremećaj XP1 koji treba mjeriti u svrhu unaprijedne regulacije. Mjerni signal XP1m iz mjerila protoka je ulazna veličina (informa-cija) za upravljački sustav. Druga ulazna procesna veličina XP2 koja je upravljiva ( manipulativna ) je pritok lužine. pH u reaktoru je veličina stanja i ujedno izlazna veličina Y.

12. Upravljački sustav je PC računalo koje je neposredno ( on-line ) povezano s mjernim uređajem za protok melase i regulaciskim ventilom za podešavanje pritoka lužine. Ulazna informacijska veličina XI za upravljački sustav su podaci koji se unose iz okoline, na primjer predaje ih operater ili se prenose iz nekog drugog izvora, kao što je zapis ( “fajl”) u samom računalu za upravljanje ili iz nekog drugog računala. Ako se proces provodi pri stalnom pH onda je ulazna informacijaka veličina konstanta jednaka željenoj ili referentnoj vrijednosti pH. Bitni dio upravljačkog sustava je matematički model bilance H+ (protona ) kojim se određuje pH. Modelom se određuje bilanca na osnovi pritoka melase i lužine i proizvodnje mikroorganizama.

13. Upravljanje u povratnoj vezi Č Upravljanje u povratnoj vezi je najčešći oblik upravljanja u prirodi, društvu i tehnici. Osnova upravljanja u povratnoj vezi je mjerenje poremećaja stanja procesa i povratno djelovanje upravljačkog sustava na ulazne procesne veličine.

14. Najjednostavniji prikaz upravljanja u povratnoj vezi dan je na slici. Prikazan je proces s jednom ulaznom procesnom veličinom XP i jednom veličinom stanja i/ili izlaznom veličinomY. Ulazna informacijska veličina djeluje neposredno na upravljački sustav. Poremećaju koji su posljedica promjena ulaznih veličina ili promjena u samom procesu odražavaju se kao poremećaj stanja procesa Y. Stanje procesa mora biti mjerljiva veličina tako da se informacija ( mjerni signal ) o promjeni stanja prenosi u upravljački sustav. Upravljački sustav prima istovremeno dvije informacije, ulaznu informaciju XI i informaciju o stanju procesa Y. Ulazna veličina je razlika tih dviju informacija, dakle razlika između izmjerenog stanja procesa i ulazne informacije iz okoline.

15. Izlazna veličina iz upravljačkog sustava je upravljačka veličina U. Upravljačka veličina mijenja stanje ulazne upravljive veličine XP , koja mora biti podesiva odnosno manipulativna procesna veličina. Najčešće je djelovanje upravljačke veličine takovo da su promjene ulaznih veličina suprotnog predznaka od odstupanja izlazne veličine od ulazne informacije (referentne vrijednosti). Zbog suprotnog djelovanja se upotrebljava naziv negativna povratna veza. Na primjer, potrebno je smanjiti pritok melase ako je razina u reaktoru iznad referentne vrijednosti, ili potrebno je povećati pritok energije ( topline ) ako je temperatura ispod referentne. Za procese koji imaju negativni statički koeficijent pojačanja se umjesto negativne povratne veze mora upotrebiti pozitivna povratna veza kako bi se osigurala kompenzacija poremećaja i stabilnost upravljanja.

16. Na proces istovremeno djeluje promjena iz okoline i promjena na osnovi povratne informacije iz procesa, dakle postoji povratni zatvoreni krug informacije. Bitna osobina upravljanja u povratnoj vezi je jednostavnost algoritma upravljanja. Upravljačka veličina se često dobije množenjem razlike ulaznih informacija s konstantom ( pojačanje). Nezavisnost algoritma upravljanja o modelu procesa omogućuje upravljanje složenim procesima za koje ne raspolažemo s matematičkim modelima, bilo da su procesi isuviše složeni ili su čak nepoznati.

17. Primjer regulacije temperature u biorekatoru.

18. Regulacija temperature u bioreaktoru je obavezna zbog velike osjetljivosti procesa rasta mikroorganizama i proizvodnje metabolita o temperaturi. Regulacija se provodi u povratnoj vezi. Ulazna upravljiva veličina XP je protok vode kroz plašt bioreaktora ( izmjenjivač topline ). Stanje procesaY ( izlazna veličina ) je temperatura T u bioreaktoru koja se mjeri standar-dnim termometrom Pt100. Upravljački sustav je računalo ( PC ). Ulazna informacijska veličina XI je podatak o temperaturi u određenom trenutku koji su unosi u računalo iz okoline ili se čita iz zapisa (“fajla”). Povratni krug je ovdje ostvaren tako da se informacija o temperaturi u reaktoru prenosi računalom ponovo na ulazni pritok u reaktor.

19. Mehanizam regulacije možemo objasniti na slijedeći način. Na rea-ktor djeluje poremećaj koji ima za posljedicu promjnu temperature. Poremećaj može, na primjer, biti prouzročen na slijedeće načine: zbog promjene u pritoku melase, promjene u brzini rasta mikro-organizama, posljedica promjene protoka ili temperature u izmje-njivaču topline, promjene temerature okoline, ili kombinacijom svih promjena. Djelovanje poremećaja rezultira promjenom temperature u reaktoru, temperatura se mjeri i informacija se uspoređuje s ulaznom informacijom iz okoline. Ako je poremećaj izazvao porast temperature u odnosu na ulaznu informaciju, regulator (koji je u najjednostavnijemj slučaju poja-čalo) daje upravljački signal koje pojačava razliku izmjerene tem-perature i ulazne informacije. Upravljačka veličina je informacija koja se pretvara u fizičku akciju tako da se djeluje na regulacijski ventil kojim se mijenja protok vode u izmjenjivaču. Kada je pozi-tivna razlika na ulazu u regulator smanjuje se protok a kada je razlika negativna protok se povećava. Suprotan predznak promjena je posljedica negativne povratne veze.

20. Najznačajnije značajke upravljanja u povratnoj vezi su: Bez obzira na izvor poremećaja upravljanjem u povratnoj vezi može se kompenzirati njihovo djelovanje. Algoritam upravljanja je vrlo jednostavan i ne zahtjeva model procesa. Povratnom vezom se upravlja večinom stanja u bioreaktoru, kao što su na primjer: koncentracija otopljenog kisika, pH, razina, pjena, koncentracija hranjivih tvari ( suspstrata), itd. Također su brojni primjeri u prehrambenoj industriji, kao što je regulacija raspodjele temperature u pečnicama i hladnjacima, ili regulacija vlažnosti zraka u skladištima ili procesni komorama., itd. Za složene više varijabile i nelinearne sustave potrebno je primjeniti kompleksni upravljački sustav koji nastaje sintezom navedena tri osnovna oblika upravljanja.