Реферат Основные понятия системы автоматического управления
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………….…….….3
1. Системы автоматического управления…………………….…………...5
1.1. Разомкнутые САУ…………………………………………….……….…5
1.2. Замкнутые САУ ……………………………………………….…….…..7
2. Системы автоматического регулирования…………………………...…12
2.1. Регуляторы…………………………………………………………...…13
ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………………18
ВВЕДЕНИЕ
Совокупность управляемого объекта и устройства, обеспечивающего реализацию части или всех функций процесса управления без непосредственного участия человека, называется автоматической системой, (системой автоматики). По функциональному признаку автоматические системы разделяются на два основных вида: 1) системы автоматического контроля (САК); 2) системы автоматического управления (САУ). САК обеспечивают автоматическое получение информации о состоянии и условиях работы того или иного объекта управления, а также ее представление в удобном виде на пульте оператора (диспетчера), а САУ — автоматическое функционирование объекта в соответствии с требованиями технологического процесса.
Рассмотрим принципы построения различных автоматических систем, используя, их функциональные и принципиальные схемы. На функциональных схемах (блок-схемах) составные части системы (блоки) представляются геометрическими фигурами (прямоугольниками, кружками), а их взаимодействие — линиями со стрелками. Блоки обозначаются буквами (словами), соответствующими выполняемым ими функциям. Число блоков для одной и той же системы может быть различным, так как их выделение производится условно, в зависимости от детализации выполняемых ими функций в системе.
Детальное представление о принципах работы автоматической системы дает ее принципиальная схема, на которой элементы и связи между ними изображают в виде условных графических обозначений, установленных целым рядом Государственных общесоюзных стандартов (ГОСТ). Позиционные обозначения элементов или устройств принципиальной схемы также определяются требованиями ГОСТа. Например, при выполнении электрических схем руководствуются ГОСТ 2.721—74, ГОСТ 2.728—74, ГОСТ 2.730—73, ГОСТ 2755—74, ГОСТ 2.756—76 на обозначения условные графические для различных элементов и ГОСТ 2.710—81 на их буквенно-цифровые обозначения.
Общая функциональная схема системы автоматического контроля представлена па рис. 1, а. Контролируемая величина х объекта О измеряется блоком (элементом) ИБ и поступает в управляющий блок УБ, в котором формируется сигнал и, подаваемый на воспроизводящий блок (элемент) ВБ. Последний фиксирует результаты контроля в форме, удобной для оператора, используя световые, звуковые, стрелочные, цифровые, самопишущие приборы. Состав воспроизводящих приборов определяется требованиями к системе контроля.
В качестве примера САК на рис. 1,6 приведена принципиальная схема контроля уровня жидкости в емкости. Контролируемым параметром в этой системе является уровень Н, например, воды в баке. Функции измерительного элемента выполняет металлический электрод (датчик) В установленный на высоте, соответствующей заданному значению уровня.
Управляющий блок представлен электромагнитным реле К. воспроизводящий элемент — сигнальной лампой НL. Когда вода поднимается до уровня установки электрода В, по обмотке реле от источника U1 будет проходить ток. Контакт реле замкнется и подключит к источнику U2 сигнальную лампу.
Рис. 1. Общая функциональная схема системы автоматического контроля (а) и пример её реализации (б).
1. Системы автоматического управления
Они классифицируются по ряду признаков, характеризующих различные их особенности.
1. По типу контура управления: разомкнутые, замкнутые.
2. По принципу управления: по отклонению, комбинированные, адаптивные.
3. По характеру изменения задания: стабилизирующие, программные, следящие.
4. По характеру сигнала: непрерывные, дискретные (импульсные, релейные, цифровые).
5. По характеру реакции на возмущение: статические, астатические.
6. По виду вспомогательной энергии: электрические, пневматические, гидравлические, комбинированные.
Рис.2. Общая функциональная схема разомкнутой системы автоматического управления (а), пример е реализации (б) и программа изменения скорости (в)
1.1. Разомкнутые САУ
Простейшими системами управления являются разомкнутые САУ (рис. 2.,а). Они обеспечивают заданный закон изменения состояния объекта управления (включение, выключение, изменение режима работы, требуемую последовательность технологических операций и др.) без контроля результатов управления (без обратной связи). Закон изменения состояния объекта управления во времени называется программой управления. Последняя размещается в специальном блоке-задатчике ЗБ, который формирует заданное значение х3 управляемой величины х объекта, т. е. закон ее изменения во времени. При этом под управляемой величиной понимают параметр, характеризующий рабочий процесс объекта например, угловую скорость, температуру, момент нагрузки и др. Функции задатчика могут выполняться релейным или программным устройством, вычислительной машиной.
Управляющий блок УБ воспринимает сигнал задатчика, преобразует его и выдает командный сигнал на вход исполнительного! устройства ИУ, которое вырабатывает управляющее воздействия и, прикладываемое ко входу объекта. Последнее изменяет количество энергии или вещества, подводимого к объекту, обеспечивая этим изменение его состояния в соответствии с заданием.
Воздействия z, изменяющиеся при работе системы и нарушающие требуемую функциональную связь между х3 и х, называются возмущающими, или возмущениями. Они делятся на основные и второстепенные (помехи). Основные возмущающие воздействия! сильно влияют на управляемый процесс. Они, как правило, приложены к объекту. К ним относятся нагрузка объекта управления, влияние температуры, влажности и т. п. Помехи — это многочисленные воздействия, слабо влияющие на ход процесса. К ним можно отнести колебания напряжения в сети переменного тока, изменения сопротивлений цепей, воздушные зазоры и упругие деформации в деталях и т. п. Помехи могут воздействовать на часть или на все элементы системы.
В качестве примера разомкнутой САУ на рис. 2, б представлена принципиальная схема управления угловой скоростью электродвигателя М2. Программное устройство (задатчик) в этой системе выполнено на синхронном микродвигателе М1, на валу которого расположен профильный диск ПД, и резисторе R, подвижный контакт которого перемещается толкателем, взаимодействующим с ПД. Программа изменения скорости (рис. 2., в) определяется профилем диска ПД. В соответствии с изменением напряжения U3, подаваемого на обмотку возбуждения L генератора G изменяются во времени напряжение Uя на якоре двигателя М2 (управляющее воздействие) и угловая скорость вала у управляемая величина). Основное возмущение в этой системе — нагрузка на валу двигателя, т. е. статический момент Мс.
Изменяя профиль диска ПД, можно получить любой закон изменения скорости двигателя. Подобный принцип задания скорости 3 используется при управлении подъемными машинами. Профильный диск связывают с валом подъемной машины, задавая скорость \ в зависимости от положения подъемного сосуда в стволе.
Недостаток разомкнутых САУ — малая точность выполнения I заданного закона управления, так как возмущающие воздействия не компенсируются. Поэтому такие системы в основном применяют для автоматизации процессов пуска и останова машин и механизмов, когда не требуется точное выполнение заданного закона изменения скорости (насосы, вентиляторы, конвейеры, компрессоры и др.), а также для обеспечения требуемой последовательности рабочих операций.
1.2. Замкнутые САУ
Замкнутые САУ строятся на основе принципа обратной связи, сущность которого заключается в том, что управляющее воздействие ставится в зависимость от того результата, который оно вызывает. Под обратной связью понимают устройство, осуществляющее передачу воздействия с выхода системы или ее элемента на их входы. Такие связи (их может быть несколько в одной системе) реализуются на основе измерительных устройств.
Обратные связи могут быть жесткими и гибкими, положительными и отрицательными. Жесткая обратная связь действует постоянно, т. е. в переходных и установившихся режимах работы системы, а гибкая — только в переходных режимах. Сигнал положительной обратной связи суммируется с входным сигналом системы (элемента), а сигнал отрицательной — вычитается из входного сигнала.
Замкнутая САУ (рис. 3, а), в которой управляющее воздействие вырабатывается в функции отклонения действительного значения управляемой величины от ее заданного значения, называется системой автоматического регулирования (САР). Управление в таких системах называют регулированием, управляющее устройство — регулятором, а управляемую величину — регулируемой величиной.
В САР, представленной на рис. 3, а, реализован принцип управления отклонению. Блок ИБ измеряет регулируемую величину х, преобразует ее в величину хи, подобную выходной величине х3 задатчика ЗБ и подаёт на элемент сравнения ЭС, который определяет отклонение регулируемой величины от заданного значения:
Рис.3 .Функциональные схемы замкнутых САУ: а – САР по отклонению; б – комбинированием ; в – адаптивная
Сигнал ∆х после преобразования в управляющем блоке УБ передается на исполнительное устройство, которое формирует управляющее воздействие
Для САР характерно наличие отрицательной обратной связи и! замкнутой цепи передачи воздействий: УБ—ИУ—О—ИБ—ЭС—УБ. Благодаря этому они способны обеспечить высокую точность управления.
На. практике САР широко применяют для обеспечения требуемых режимов работы машин и установок путем поддержания на. заданном уровне или изменения по заданному закону величин, характеризующих их рабочие процессы.
Системы, имеющие задание поддерживать управляемую величину на постоянном уровне х3=const называются автоматическими стабилизирующими системами. К ним относятся, например, системы автоматической стабилизации температуры подаваемого в шахту воздуха, нагрузки выемочных и проходческих комбайнов, давления в пневмосети и др.
Замкнутые системы, изменяющие управляемую величину в соответствии с заранее заданной функцией какого-либо параметра (времени, пути и т. д.), называются программными автоматическими системами. К таким системам относится, например, САР скорости шахтной подъемной машины.
Системы, имеющие задание изменять управляемую величину в соответствии с действующей на входе системы переменной величиной, закон изменения которой заранее неизвестен, называются ^ следящими автоматическими системами. Примером таких систем является САР производительности компрессорной станции, обеспечивающая производство сжатого воздуха в соответствии с его потреблением, имеющим случайный характер изменения во времени.
Автоматические системы управления высокой точности обычно строят по принципу комбинированного управления (рис. 3, б). В таких системах воздействие и вырабатывается управляющим устройством УУ в функции отклонения и возмущения. Последнее измеряется блоком ИБ2 и подается на вход системы в виде сигнала zи, который суммируется с заданием х3 компенсируя тем самым вредное влияние возмущения г на управляемую величину х.
Успешное развитие кибернетики позволило применить в автоматических системах новый принцип управления, называемый! принципом адаптации (приспособления). Системы, использующие этот принцип, способны обеспечить высокое качество управления объектами с переменными свойствами и условиями функционирования, например, добычными механизмами и буровыми установками, у которых в процессе работы затупляются режущие элементы рабочих органов, изменяются физико-механические свойства горного массива, масса подвижных частей и др.
Адаптивная (самонастраивающаяся) САУ (рис. 3, в) содержит дополнительное управляющее устройство УУД, которое вырабатывает корректирующее воздействие
В зависимости от характера сигналов, передаваемых от одного элемента системы к другому, автоматические системы делятся на непрерывные, импульсные, релейные и цифровые (кодовые).
Непрерывные системы имеют на входе и выходе всех элементов сигналы, представляющие собой непрерывные функции времени.
Импульсные системы содержат по крайней мере один элемент, сигнал на выходе которого представляет собой последовательность импульсов, амплитуда, длительность и частота повторений которых зависят от .сигнала на входе этого элемента в отдельные (дискретные) моменты времени.
Релейные системы характеризуются наличием хотя бы одного элемента, сигнал на выходе которого изменяется скачком всякий раз, когда сигнал на его входе проходит через некоторые фиксированные значения, называемые порогами или уровнями.
Цифровые системы содержат элементы, которые преобразуют непрерывные сигналы в дискретные путем квантования их по уровню и по времени и осуществляют их представление в виде последовательности чисел в цифровом коде.
Импульсные, релейные и цифровые системы образуют класс дискретных систем управления, характерной особенностью которых является наличие одного или нескольких дискретных сигналов, т. е. сигналов, изменяющихся скачком или представленных в виде последовательности кратковременных импульсов. Дискретные системы в настоящее время в связи с бурным развитием вычислительной техники получают все большее применение в промышленной автоматике.
В зависимости от характера реакции на возмущения САУ делятся на статические и астатические.
К статическим САУ относятся системы, у которых установившееся значение управляемой величины зависит от величины возмущающего воздействия, так что отклонение от задания пропорционально величине последнего, т. е. в системе всегда имеется так называемая статическая погрешность.
В астатических системах установившееся значение управляв мой величины не зависит от величины возмущающего воздействия и статическая погрешность равна нулю.
Проектированию любой автоматической системы предшествует анализ производственного процесса, условий эксплуатации и формулирование требований к САУ. В связи с этим далее рассматриваются некоторые вопросы теории, раскрывающие принципы по! строения автоматических систем и закономерности протекающих в них процессов.
2. Системы автоматического регулирования
В общем случае система автоматического регулирования состоит из объекта регулирования и регулятора. В процессе регулирования регулятор и объект взаимодействуют и, следовательно, качество регулирования определяется свойствами объекта и регулятора.
Большинство реальных САР может быть представлено структурной схемой, показанной на рис. 4. В такой САР имеется одно задающее воздействие х3, одно возмущающее воздействие z, регулятор с передаточной функцией Wp (р).и объект регулирования, представленный двумя передаточными функциями: по управляющему воздействию Wo(р).и возмущающему воздействию Woz (р).
Регулируемая величина формируется условно выделенным в объекте элементом суммирования 2 по выражению
х = хu
где хu, хz — составляющие х, создаваемые изменениями соответственно управляющего и z возмущающего г воздействий на объект.
В рассматриваемой структуре с так называемой единичной обратной связью чувствительный элемент (датчик) отнесен к регулятору. Поэтому в элементе суммирования 1 сравниваются физические величины х3 и х (в реальных САР на входе регулятора обычно сравниваются их аналоги: напряжения, коды и др.). Результат сравнения представляет собой сигнал ошибки системы, равный ε = х3—х.
Рис. 4. Структурная схема САР
2.1. Регуляторы
ПИД-регулятор представляет собой параллельное соединение безынерционного, интегрирующего и дифференцирующего звеньев и формирует управляющее воздействие, пропорциональное отклонению, его интегралу и производной.
Сравнивая указанные выше регуляторы, можно отметить, что самым простым по устройству является П-регулятор, а самым сложным — ПИД-регулятор. Однако последний обеспечивает наиболее высокие показатели качества работы САР.
На практике широко применяются также регуляторы прерывистого действия, в частности релейные регуляторы.
В зависимости от числа устойчивых состояний релейного элемента различают двух-, трех- и многопозиционные релейные регуляторы. У двухлозиционного регулятора регулирующий орган; объекта может занимать одно из двух возможных положений (включено-выключено, открыто-закрыто), соответствующих максимуму притока энергии или вещества. Трехпозиционный регулятор имеет релейный элемент с нейтральным положением (зоной нечувствительности), выходной сигнал которого принимает значения + 1, 0, —1 (обычно положительное максимальное, нулевое и отрицательное максимальное значения).
Важнейшей характеристикой качества работы САР является ее устойчивость, под которой понимают способность системы возвращаться в исходное состояние равновесия после прекращения-воздействия, выведшего систему из этого состояния. Неустойчивая система не возвращается в исходное состояние, а непрерывно удаляется от него.
Система, не обладающая устойчивостью, неработоспособна: она может привести управляемый объект в аварийное состояние. 1олько к устойчивой САР можно предъявлять другие требования по качеству работы.
Об устойчивости САР можно судить по характеру ее реакции изменения регулируемой величины во времени) на внешнее возмущение. В результате возмущающих воздействий и следующих за ними восстанавливающих (управляющих) воздействий регулятора в системе возникают переходные процессы, которые могут быть затухающими (сходящимися), расходящимися или, наконец, Затухающими колебаниями с постоянной амплитудой.
Затухающий переходный процесс (рис. 5, а) свидетельствуем об устойчивости САР: регулируемая величина х, которая под действием возмущения отклонилась от заданного значения х3, с течением времени под воздействием регулятора возвращается к задан! ному значению с точностью, соответствующей погрешности регулятора.
При расходящемся переходном процессе (рис. 5, б) САР неустойчива: регулируемая величина, отклонившись от заданного значения, с течением времени под воздействием регулятора на приближается, а теоретически беспредельно удаляется от заданного значения апериодически (кривая 7) или с колебаниями (кривая 2), амплитуда которых возрастает.
В реальных системах отклонения х не могут быть беспредельными—они ограничиваются свойствами элементов: насыщением электрических машин, ограниченной мощностью двигателей и т. п. Однако эти отклонения могут достигать недопустимых значений по условиям сохранности оборудования, безопасности и др.
Переходный процесс в виде незатухающих колебаний (рис. 5, е) с постоянной амплитудой и частотой характеризуем САР, находящуюся на границе устойчивости.
При проектировании САР их устойчивость определяют специальными методами ТАУ, большинство которых основано на анализе характеристического уравнения системы (2.20). Эти расчеты! достаточно сложны и в данном курсе не рассматриваются.
Для обеспечения эффективного функционирования САР кроме! ее устойчивости необходимы также другие показатели: точность! поддержания управляемой величины на заданном уровне в статике и динамике, надежность работы, стоимость, .масса, габариты и т. им Важнейшими из перечисленных являются показатели качества,! характеризующие регулировочные свойства системы в установив*! шихс5т и переходных режимах, называемые далее показателям качества регулирования.
Для определения качества процесса регулирования в общем случае необходимо решить дифференциальное уравнение, описЫ-1 вающее динамический процесс в САР, что является весьма трудов емкой задачей при решении его вручную. Поэтому для решения уравнения динамики высокого порядка используются вычислительные машины и так называемые прямые методы оценки качества регулирования на основе анализа графика переходного процесса, происходящего в системе при ступенчатом внешнем воздействии.
В ТАУ разработаны также косвенные методы оценки качества процесса регулирования, не требующие решения уравнения динамики. Эти методы более трудоемки и менее точны по сравнению с прямыми методами, получившими в настоящее время широкое признание в связи с бурным развитием вычислительной техники.
Рассмотрим общепринятые показатели качества процесса регулирования: статическую ошибку регулирования, перерегулирование, время регулирования и колебательность на примере переходного процесса (рис. 6), полученного в статической САР при единичном скачке задающего воздействия.
Статическая ошибка регулирования характеризует точность системы в установившемся режиме и определяется отклонением от задания х3 установившегося значения регулируемой величины *<сс), т. е.
Относительная ошибка регулирования может составлять 2— 5 % от номинального значения регулируемой величины.
Перерегулирование определяет динамическую точность САР и представляет собой отношение первого максимального отклонения регулируемой величины от установившегося значения к этому установившемуся значению, %: где хм — максимальное значение регулируемой величины в переходном процессе. Обычно к системам регулирования предъявляется требование, чтобы перерегулирование не превышало 20—30%. Переходные процессы без перерегулирования (а = 0) предпоч-ительны для горных машин, так как при этом существенно улучшается динамика и повышается надежность их работы.
Рис.5. Кривые переходных процессов САР: а – устойчивой, б- неустойчивой, в – находящейся на грани устойчивости.
Рис.6.К определению показателей качества процесса регулирования.
Время регулирования tp характеризует быстродействие САР представляет собой интервал времени от момента приложения ступенчатого воздействия до момента, после которого отклонение регулируемой величины от установившегося значения становится меньше некоторой заданной величины б, т. е. выполняется неравенство
Обычно принимают δ100/х(
Значение tр для различных САР изменяется в широких пределах: от 0,1 — 1 с при регулировании нагрузки горных машин до единиц и даже десятков секунд при регулировании производительности вентиляторов и компрессоров.
Колебательность процесса регулирования определяется периодом колебаний Тк: и числом полуколебаний N, т. е. числом переходов управляемой величины через линию х(
Конкретные значения рассмотренных показателей качеств] устанавливаются при проектировании САР, исходя из условий обеспечения объектом технологических требований.
ЛИТЕРАТУРА
1. П.Д. Гаврилов., Л.Я. Гимельштейн, А.Е. Медведев. Автоматизация производственных процессов. М: Недра,1985
2. Исаковия Р.Я., Попадько В.Е. Контроль и автоматизация добычи нефти и газа. М.: Недра,1985
