Лекция 2. ПРИНЦИПЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО

В основе построения САУ лежат три фундаментальных принципа: разомкнутого управления (регулирования); управления по возмущению и управления по отклонению (по ошибке).

Принцип разомкнутого управления состоит в том, что алгоритмы управления вырабатываются только на основе заданного алгоритма функционирования и не контролируются другими факторами – возмущениями или выходными координатами системы. Принципиальная схема разомкнутого управления показана на рис. 1.7, а.

Схема системы в этом случае имеет вид разомкнутой цепочки, в которой основное воздействие передается от входного (задающего) элемента ЗУ к выходному ОУ (объекту). Поэтому и принцип управления получил название разомкнутого. Основным недостатком его является то, что связь между у и х в разомкнутых системах обеспечивается только конструкцией и подбором физических закономерностей, действующих во всех элементах. Однако используется он очень широко и ввиду своей простоты его не всегда выделяют как один из фундаментальных принципов. На этом принципе построены все системы сигнализации, защиты, контроля, блокировки и т. п.

Ряд устройств, применяемых в автоматике, представляет собой элементы с управлением по разомкнутой цепи (переключатели, реле, логические элементы, некоторые преобразователи, усилители, счетно-решающие элементы, выполняющие операции дифференцирования, интегрирования и т. п.).

Принцип управления по возмущению иногда называют принципом Понселе – Чиколева (по имени французского и русского ученых). Суть его в следующем: для компенсации вредного влияния какого-либо возмущения f необходимо измерить это возмущение и в зависимости от результатов измерения осуществить управляющее воздействие на объект, обеспечивающее изменение управляемой величины по требуемому закону или поддержание ее на заданном уровне.

Для реализации этого принципа в состав САУ должны входить (рис. 1.7, б): чувствительный элемент ЧЭ и исполнительный элемент ИЭ. Между чувствительным и исполнительным элементами могут быть различные промежуточные элементы ПЭ (усилители, преобразователи и т. д.).

Правильно сконструированный регулятор, работающий по этому принципу, обеспечивает независимость (инвариантность) управляемой величины у от воздействия f_i.

Система регулирования давления воздуха в герметизированном отсеке, реализующая этот принцип, приведена на рис. 1.8, а.

Рис. 1.8. Система регулирования давления воздуха в герметизированном отсеке

Одним из возмущающих воздействий является изменение давления окружающей среды р _н. Зависимость давления р в отсеке 3 от величины р _н (в установившемся режиме) характеризуется кривой 1 (рис. 1.8, б) (все остальные воздействия предполагаются постоянными). Как видно в отсеке без регулятора, требуемое значение давления р ⁰имеет место при единственном значении давления внешней среды

Для измерения возмущающего воздействия р _н служит измеритель давления, состоящий из сильфона 1, внутри которого размещена пружина 2. Сильфон представляет собой тонкостенную герметически запаянную пустотелую металлическую коробку цилиндрической формы с гофрированными стенками, воздух из которой выкачан до технического вакуума. Деформация сильфона в осевом направлении в первом приближении пропорциональна величине давления р _н. Пружина 2 служит для увеличения упругости сильфона. С днищем сильфона 1 жестко связана регулирующая заслонка 4 в выходном трубопроводе (промежуточные и исполнительные элементы в регуляторе отсутствуют). Допустим, что положение, изображенное на рис. 1.8, а, соответствует номинальному режиму работы, когда р = р ⁰ и все возмущающие воздействия постоянны. При увеличении давления р _н и отсутствии регулятора это привело бы к уменьшению расхода Q ₂ и увеличению давления в отсеке. При наличии регулятора увеличение давления р _н приведет к сжатию сильфона и перемещению регулирующей заслонки 4 вверх. В результате расход на выходе Q ₂ возрастает и давление в отсеке сохранит прежнее значение р ⁰. Однако, если расход воздуха Q ₂ будет изменен другими возмущениями, регулятор не обеспечит стабилизацию давления в отсеке.

Принцип управления по отклонению. Как известно, основная задача любой САУ состоит в выполнении равенства g (t) = y (t) с той или иной степенью точности, т. е. при работе САУ возникает ошибка или отклонение e(t) = g (t)– y (t). При идеальной работе САУ e(t) = 0 для всех моментов времени. Для реальных систем при e(t) ¹ 0 задача может заключаться лишь в уменьшении этой ошибки до допустимого значения.

Суть управления по ошибке состоит в том, что тем или иным путем определяется ошибка САУ и в зависимости от величины и знака этой ошибки осуществляется управляющее воздействие, сводящее ошибку к нулю. Этот принцип был впервые разработан и осуществлен русским механиком И. И. Ползуновым в 1765 г. и английским механиком Дж. Уаттом в 1784 г. В общем случае такие системы должны иметь задающий, чувствительный и сравнивающий элементы (рис. 1.7, в).

Преобразующие элементы регулятора включают в себя устройства для преобразования физической природы сигнала ошибки (модуляторы, демодуляторы и др.) и так называемые корректирующие устройства, осуществляющие функциональные преобразования сигнала ошибки (дифференцирование, интегрирование и др.) и предназначенные для придания системе требуемых свойств.

На рис. 1.8, в показана САУ давления в герметизированном отсеке, реализующая этот принцип. В этой системе чувствительный элемент 1 (сильфон) помещен в камеру 3, давление внутри которой равно давлению р в отсеке 5. Сильфон кинематически связан с регулирующим органом 4. При установившемся состоянии (Q ₁ = Q ₂) давление в отсеке p = const и заслонка 4 занимает вполне определенное положение, так как усилие, действующее на сильфон за счет давления газов в камере 3, уравновешено усилием пружины 2. При увеличении давления в отсеке по каким-либо причинам повышается давление и в камере 3. Сильфон, сжимаясь, перемещает заслонку 4 вверх, увеличивая расход Q ₂ на выходе, и давление в отсеке снижается. При уменьшении давления картина повторяется в обратной последовательности. Следовательно, в данной системе чувствительный элемент реагирует только на отклонение давления от установленного значения. В этой системе сравнивающий элемент в явном виде отсутствует. Сигнал ошибки x (t) = р ⁰ – р (t).

Важным преимуществом САУ по ошибке является отсутствие жестких требований к стабильности характеристик элементов регулятора и объекта, существенным недостатком – склонность к колебаниям, что значительно усложняет расчет таких систем. Поэтому сейчас создаются комбинированные системы, использующие оба эти принципа одновременно.

Существует большое разнообразие САУ, которые классифицируются по различным признакам. По своему назначению различают автоматические системы сигнализации, защиты, пуска, остановки, контроля, регулирования и управления. Рассмотрим классификацию автоматических систем с точки зрения теории автоматического управления:

1) по характеру алгоритма функционирования или в зависимости от целей управления системы регулирования делятся на стабилизирующие, следящие и программные;

2) по наличию дополнительных источников энергии – прямого и непрямого регулирования;

3) по характеру алгоритма управления – с замкнутой и разомкнутой цепью воздействий;

4) по виду управляющих воздействий на объект – непрерывные, дискретные (релейные и импульсные);

5) по математическому описанию – линейные и нелинейные;

6) по характеру передачи сигналов – одноконтурные и многоконтурные;

7) по количеству регулируемых параметров – одно- и многомерные;

8) по виду зависимости между значением регулируемого параметра и величиной внешнего воздействия на объект – статические и астатические;

9) по самоприспособляемости – без самоприспособления и с самоприспособлением.

Стабилизирующие, следящие и программные автоматические системы. Стабилизирующие системы. Автоматическая система управления называется стабилизирующей, если алгоритм ее функционирования содержит предписание поддерживать значение управляемой величины постоянным, т. е. y (t) = const.

Пример 1 (рис. 1.9, а). Система автоматического регулирования (САР) уровня воды в котле паровой машины (регулятор И. И. Ползунова).

Управляемым объектом в данной системе является котел 1, в котором необходимо поддерживать уровень воды Н (управляемая величина) постоянным, измерительным элементом является поплавок 2, регулирующим органом – заслонка 3, внешним возмущающим воздействием – изменение количества отбора пара из котла Q ₂. Настройка регулятора на заданный уровень Н осуществляется изменением длины стержня поплавка.

Пример 2 (рис. 1.9, б). Система стабилизации частоты вращения вала паровой машины (регулятор Дж. Уатта).

Управляемым объектом в системе является паровая машина 1, частоту вращения п вала которой необходимо поддерживать постоянной, чувствительным элементом – грузы 2 центробежного регулятора, регулирующим органом – заслонка 4, внешним возмущающим воздействием – изменение нагрузки p (t) на валу машины.

Следящие системы предназначены для изменения управляемой величины у (t) по закону, который заранее неизвестен. В таких системах задающее воздействие g (t) представляет случайную функцию времени, которую должна воспроизводить выходную величину у (t).

Рис. 1.10. Система согласованного вращения валов

Система предназначена для автоматического управления положением объекта 1 с помощью некоторого задающего устройства 2 (штурвал). Угловое положение a_вх задающего вала преобразуется с помощью потенциометра R ₁ в соответствующий потенциал U ₁, а a_вых выходного вала, связанного с объектом 1, потенциометром R ₂ в соответствующий потенциал U ₂. Потенциалы U ₁ и U ₂ сравниваются в устройстве 3. Результат их сравнения называется сигналом ошибки U ₀, т. е. U ₀ = U ₁ – U ₂. Сигнал ошибки поступает на вход усилителя 4, к выходу которого подключен исполнительный элемент 5 (электрический двигатель), связанный через редуктор 6 с объектом. При согласованном положении входного и выходного валов обеспечивается равенство a_вх= a_вых. При этом условии потенциалы датчиков (потенциометров) R ₁ и R ₂ будут равны, т. е. U ₁= U ₂ и сигнал ошибки U ₀ = 0. Двигатель 5 будет неподвижен, и объект находится в покое. При изменении положения входного вала с помощью задающего устройства 2 на входе усилителя 4 появляется сигнал ошибки, который после усиления приводит в действие исполнительный двигатель 5, перемещающий объект 1, а вместе с ним и движок потенциометра R ₂ до тех пор, пока не будет восстановлено равенство a_вх = a_вых. Любые изменения характера движения входного вала тотчас передаются на выходной вал.

Программные системы предназначены для изменения регулируемой величины g по известному закону в функции времени t или какой-либо другой величины z: g (t) = g ⁰(t) – временная программа, g = g (z) – параметрическая программа.

Параметрические программы могут зависеть не только от одной, но и от нескольких величин – z ₁, z ₂, z ₃. (пространственное программирование).

Рис. 1.11. Программная система регулирования температуры в сушильном шкафу

Температура t в шкафу 4 (объект управления) зависит от положения заслонки 5, регулирующей приток в шкаф тепла. Заслонка перемещается через редуктор 7 двигателем 6, управляемым контактной группой, состоящей из подвижного двухстороннего контакта 3 и двух контактов 1 и 2, находящихся на качающемся рычаге 8. Положение рычага 8 и контактов 1 и 2 определяется перемещением ролика 9 (чувствительный элемент), скользящего по фигурной поверхности ленты 10, перемещаемой механизмом 11. Профиль ленты представляет программу изменения температуры в шкафу во времени.

Если контакты незамкнуты, то двигатель 6 неподвижен и приток тепла в шкаф не изменяется (номинальное положение). При перемещении ролика вверх происходит замыкание контактов 1 и 3, вследствие чего двигатель выдвигает заслонку, увеличивая приток тепла в шкаф и температура в шкафу повышается. Если ролик смещается вниз, то замыкаются контакты 2 и 3, что сопровождается реверсом двигателя 6,и заслонка уменьшает проходное сечение и соответственно приток тепла в шкаф. Контроль температуры в шкафу осуществляется термопарой 12 и гальванометром 13, стрелка которого механически связана с двухсторонним контактом 3, образуя цепь отрицательной обратной связи.

Автоматические системы прямого и непрямого управления. По наличию в системе дополнительных источников энергии все замкнутые системы автоматического управления делятся на системы прямого и непрямого управления.

В системах прямого управления регулирующий орган перемещается непосредственно чувствительным элементом, без дополнительных источников энергии (см. рис.1.9).

В системах непрямого регулирования имеются устройства, позволяющие усиливать сигнал ошибки. Такими устройствами являются либо специальные усилители (пневматические, гидравлические, электрические, электронные и др.), либо исполнительные элементы, питающиеся от дополнительных источников энергии, либо те и другие вместе. В результате в таких системах сигнал ошибки управляет только передачей энергии от дополнительных источников к регулирующему органу. Поэтому системы непрямого регулирования позволяют использовать высокоточные маломощные чувствительные элементы для управления работой объектов большой мощности. Очевидно, что точность регулирования при этом резко возрастает, что и предопределяет применение главным образом систем непрямого регулирования.

Автоматические системы с замкнутой и разомкнутой цепью воздействия. САУ делятся на разомкнутые и замкнутые.

В разомкнутых системах выходная величина объекта y (t) не измеряется, т. е. нет контроля за состоянием объекта. Следовательно, в этих системах отсутствует обратная связь между выходом объекта и входом управляющего устройства. Такое управление называется жестким, так как осуществляется без учета действительного значения управляемой величины, характеристик объекта и известных внешних воздействий. Возможны варианты разомкнутых САУ, в которых управляющее устройство измеряет только одно задающее воздействие g, одно возмущение f или оба эти сигнала одновременно. Разомкнутые системы пригодны лишь при достаточно высокой стабильности ее параметров и невысоких требованиях по точности.

К ним относятся различные системы сигнализации контроля, торможения, применяемые в машинах, торговые автоматы и т. п.

Непрерывные и дискретные системы автоматического управления. В процессе работы любой САУ величины х (вход) и у (выход) изменяются во времени. Динамика процесса преобразования сигнала в звене описывается некоторым уравнением y = f (x) или экспериментально снятой характеристикой. По характеру динамических процессов системы делятся на непрерывные и дискретные.

Непрерывные системы – это такие системы, у которых в каждом звене непрерывному изменению входной величины соответствует непрерывное изменение выходной величины. Примеры таких систем приведены на рис. 1.9.

Дискретные системы – это системы, у которых хотя бы в одном звене при непрерывном изменении входной величины, выходная изменяется не непрерывно (импульсами, ступенями и т. п.). К ним относятся импульсные, релейные и цифровые системы.

Процесс преобразования непрерывной величины в дискретную называется квантованием (дроблением). Существуют три вида квантования: по уровню; по времени; по уровню и времени. Квантование по уровню соответствует фиксации дискретных уровней сигнала в момент пересечения кривой непрерывного сигнала линий равноотстоящих уровней, т. е. осуществляется в произвольные моменты времени. Квантование по времени соответствует фиксации дискретных моментов времени, в которые уровни сигнала могут принимать произвольные значения. При квантовании по времени и уровню непрерывный сигнал заменяется дискретными значениями через равные промежутки времени, но при этом выделяется ближайший уровень непрерывного сигнала. В зависимости от характера квантования входных сигналов все дискретные элементы разделяются на импульсные, релейные, релейно-импульсные или цифровые.

Импульсные системы – это системы, в составе которых имеется импульсный элемент, который осуществляет квантование входного сигнала по времени, т. е. выходная величина этого элемента представляет собой последовательность импульсов.

Релейными системами называются системы, в составе которых имеется релейный элемент (модулятор), осуществляющий квантование входного сигнала по уровню. В качестве релейных элементов могут использоваться всякого рода реле (механические, электрические, гидравлические, пневматические) и устройства, в которых выходная величина изменяется скачком при достижении входным сигналом определенных значений. Релейные системы в отличие от импульсных являются нелинейными, так как в них моменты времени, в которые происходит замыкание и размыкание системы, заранее неизвестны. Эти моменты времени не задаются извне, а определяются внутренними свойствами самой системы (структурой, параметрами и т. п.).

Релейно-импульсные, или цифровые, системы являются более совершенными в сравнении с импульсными и релейными, так как имеют хотя бы один релейно-импульсный элемент. Наиболее перспективными релейно-импульсными системами являются цифровые, в которых выходная величина релейно-импульсного элемента представляется в виде двоичного или иного кода. Цифровые системы содержат обязательно либо простейшее вычислительное устройство, либо цифровую вычислительную машину. Релейно-импульсный элемент осуществляет квантование входного сигнала по уровню и времени и может быть получен путем последовательного соединения импульсного и релейного элементов.

Линейные и нелинейные системы. Линейной называется такая система, динамика которой описывается линейными уравнениями (алгебраическими, дифференциальными или разностными).

Статистические характеристики всех звеньев системы должны быть линейными. В том случае, если динамика всех звеньев системы описывается обыкновенными линейными дифференциальными уравнениями (или линейными алгебраическими) с постоянными коэффициентами, то систему называют обыкновенной линейной, или системой с сосредоточенными параметрами. При наличии в системе одного или нескольких переменных во времени коэффициентов ее называют линейной с переменными коэффициентами. Если какое-либо звено описывается линейными уравнениями в частных производных, то система называется линейной с распределенными параметрами.

Если динамика какого-либо звена описывается линейным уравнением с запаздывающим аргументом (т. е. звено обладает чисто временным запаздыванием t), система называется линейной с запаздыванием.

Линейные импульсные системы с описанием динамики линейными разностными уравнениями получили название особых линейных систем.

В любой линейной системе реакция на любую композицию внешних воздействий равна сумме реакций на каждое из этих воздействий на систему порознь. Это так называемый принцип суперпозиции. Он позволяет выразить реакцию системы на любое произвольное воздействие через реакцию системы на элементарное типовое воздействие, например ступенчатое.

Нелинейной называется система, в которой хотя бы в одном звене нарушается линейность статической характеристики или же имеет место любое другое нарушение линейности уравнений динамики звена (произведение переменных или их производных, корень, квадрат или более высокая степень переменной и т. п.).

Теория и прикладные методы наиболее полно разработаны для обыкновенных линейных систем. Поэтому необходимо стремиться заменять нелинейные системы линейными. Это упрощение называется линеаризацией нелинейных систем. Там, где невозможно перейти к линейным уравнениям, систему разбивают на два блока, в одном из которых объединяется весь комплекс обыкновенных линейных звеньев. К нелинейным системам принцип суперпозиции не применим.

Одноконтурные и многоконтурные системы. Автоматические системы регулирования, имеющие только одну обратную (главную) связь, называются одноконтурными. В этих системах воздействие, приложенное к какому-либо элементу (чаще сравнивающему), может обойти всю систему и вернуться в исходную точку по одному пути обхода (рис. 1.9).

Системы, содержащие одну или несколько местных обратных связей, называются многоконтурными. В этих системах воздействие, приложенное к тому или иному элементу, может обойти всю систему и вернуться в исходную точку по нескольким путям обхода.

Статические и астатические системы. Все автоматические системы регулирования по их свойствам в установившемся режиме можно разбить на две группы – статические и астатические.

Статическими системами называются такие, у которых отклонение регулируемой величины от заданного значения в установившемся режиме пропорционально величине возмущения вызвавшего это отклонение. В этих системах погрешность регулирования различна при разных нагрузках и лежит в основе самого принципа регулирования.

Астатическими системами автоматического регулирования называются такие системы, у которых погрешность регулирования в установившемся режиме равна нулю (в пределах зоны нечувствительности регулятора) и не зависит от нагрузки объекта.

Самонастраивающимися (самоприспосабливающимися, адаптивными) называются такие системы, в которых параметры и структура управляющего устройства (регулятора) автоматически изменяются на основе информации для осуществления требуемого (оптимального) управления объектом. Самонастраивающаяся система в процессе эксплуатации сама автоматически должна получать и использовать для выработки управляющих воздействия недостающую информацию.

Самонастраивающиеся системы принято разделять на системы с самонастройкой программы, параметров и структуры.

1. Назовите принципы построения автоматических систем.

2. Приведите классификацию автоматических систем по назначению.

3. Приведите классификацию автоматических систем по характеру алгоритма функционирования.

4. Приведите классификацию автоматических систем по наличию дополнительных источников энергии.

5. Приведите классификацию автоматических систем по характеру алгоритма управления.

6. Приведите классификацию автоматических систем по виду управляющих воздействий на объект.

7. Приведите классификацию автоматических систем по математическому описанию.

8. Приведите классификацию автоматических систем по характеру передачи сигналов.

9. Приведите классификацию автоматических систем по количеству регулируемых параметров.

10. Приведите классификацию систем по виду зависимости между значением регулируемого параметра и величиной внешнего воздействия на объект.

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: