Тема 1. Основные свойства элементов систем автоматического управления

Любая система автоматического управления состоит из отдельных частей, узлов, агрегатов. Все эти составляющие в процессе функционирования системы взаимодействуют между собой по определенному алгоритму. Только при наличии такого взаимодействия система становится системой. Создание системы управления является сложной многогранной задачей, поэтому сформировался набор научных дисциплин, изучающих различные аспекты создания систем управления. Основная из них – теория автоматического управления. Эта наука изучает общие свойства систем, опираясь на математическое описание свойств составляющих систему частей. С помощью теории автоматического управления можно рассчитать основные характеристики и особенности функционирования проектируемой системы до ее физического создания, что обеспечивает существенную экономию времени и средств.

Для успешного применения теории автоматического управления необходимо иметь адекватные описания свойств составных частей проектируемой системы. Эту задачу решает учебная дисциплина «Элементы и устройства систем управления». Опираясь на законы физики, химии, электротехники, электроники и других дисциплин, определяются свойства и характеристики отдельных составляющих системы и представляются в форме, удобной для использования при расчетах систем в рамках теории автоматического управления.

1.1 Классификация элементов систем

Практически безграничное многообразие элементов, из которых составляются системы автоматического управления, требует классифицировать их по определенным критериям. Наиболее рациональным критерием для самой общей классификации элементов является классификация по функциональному назначению.

Возьмем в качестве примера простейшую одноконтурную замкнутую систему автоматического управления (Рис.1).

Рис.1

Блок-схема одноконтурной замкнутой системы управления

На рисунке представлена система управления, в состав которой входят:

Д_З - Устройство задания управляющего сигнала.

РЕГ - Регулятор.

УМ - Усилитель мощности.

ИУ - Исполнительное устройство.

ОУ - Объект управления.

Д_ОС - Устройство определения текущего состояния выходного сигнала.

При создании системы объект управления считается неизменяемой частью системы с известными свойствами. В модели объекта управления выделяется выходной параметр Х, который система должна регулировать, и управляющее воздействие F_у, с помощью которого происходит регулирование.

Управляющее воздействие на объект управления прикладывает исполнительное устройство, которое, в свою очередь, получает управляющий сигнал U_ум от усилителя мощности.

Усилитель мощности получает первичный управляющий сигнал U_у от регулятора и обеспечивает согласование по мощности выходного каскада регулятора с потребной мощностью исполнительного устройства.

Первичный управляющий сигнал формируется регулятором на основе сигнала рассогласования dХ в соответствии с законом управления U_у = f(dХ), который синтезируется методами теории автоматического управления для обеспечения требуемых свойств системы управления.

Для формирования сигнала рассогласования необходимо иметь информацию о заданном и текущем значениях регулируемого параметра объекта. Получение этой информации обеспечивается устройством задания управляющего сигнала Х_з и устройством определения текущего состояния выходного сигнала Х_ос. В простейшем случае сигнал рассогласования является разностью сигналов этих двух устройств

dХ = Х_з - Х_ос.

На примере представленной системы видно, что различные элементы системы выполняют различные функции. Это дает возможность разделить по функциональному назначению все элементы (не включая объекты управления) на три большие группы:

1. Исполнительные элементы.

1. Измерительные элементы

2. Усилительно – преобразовательные элементы.

Исполнительными элементами выступают устройства, непосредственно влияющие на объект управления и изменяющие его состояние.

В системах управления механическим положением объекта в качестве исполнительных устройств, называемых также приводами, используются электродвигатели различных видов (постоянного, переменного тока, шаговые и моментные двигатели), разнообразные гидро- и пневмодвигатели. При необходимости в состав исполнительного элемента может входить редуктор для согласования параметров двигателя и объекта управления.

В системах управления тепловым режимом объекта управления исполнительным устройством может быть нагреватель той или иной физической природы, вентилятор или охлаждающее устройство (холодильник).

В системах управления движением атмосферных летательных аппаратов (самолетов и крылатых ракет) для создания управляющих моментов, влияющих на движение летательных аппаратов, используются аэродинамические поверхности (рули), приводимые в действие соответствующими электрическими, гидравлическими или пневматическими рулевыми приводами (рулевыми машинками).

Для управления положением космических летательных аппаратов, движущихся в безвоздушном пространстве аэродинамические рули не эффективны, поэтому применяются другие виды исполнительных устройств – реактивные двигатели, маховики, силовые гироскопы, гиродины и другие специфичные устройства.

Задача измерительных элементов состоит в следующем:

- получение информации о процессах в системе управления и окружающей среде,

- получение информации о требуемом состоянии параметров системы,

- представление полученной информации в удобной для дальнейшего использования форме, предпочтительно в форме электрических сигналов. В некоторых специфических условиях применяются другие формы сигналов. Например в условиях повышенной пожаро- и врывоопасности широко применяются пневматические сигналы. Перспективными в настоящее время можно считать оптические сигналы в связи с бурным развитием волоконно–оптических линий связи и техники передачи и приема оптических сигналов. В некоторых случаях эффективно применение радиосигналов.

Другие названия измерительных элементов, используемые в технической литературе – датчики или сенсоры.

Усилительно – преобразовательные элементы предназначены обработки сигналов от датчиков и формирования управляющих сигналов для исполнительных элементов. Основные функции усилительно – преобразовательных элементов:

- предварительная обработка сигналов (фильтрация для снижения уровня шумов в сигнале, нормирование сигналов для приведения их к стандартным уровням и пр.),

- преобразование сигналов из одной формы в другую (модуляция и демодуляция) для обеспечения удобства работы с сигналами,

- выполнение математических операций с сигналами в соответствии с используемым законом управления, таких как сложение, вычитание, дифференцирование, интегрирование, функциональные преобразования и т.д.,

- усиление сигнала по мощности для обеспечения функционирования исполнительных устройств.

Для системы, представленной на рис.1, к усилительно – преобразовательным элементам относятся: регулятор, усилитель мощности и показанный в виде отдельного звена сумматор, формирующий сигнал рассогласования. В основном в современных системах управления применяются электрические усилительно – преобразовательные элементы.

При реализации регуляторов очень эффективно применение цифровой техники – микропроцессоров и микроконтроллеров. С их помощью можно повысить точность проведения вычислений и реализовывать алгоритмы (законы управления) практически любой сложности.

В учебном плане специальности 220400 изучение элементов автоматических устройств распределено по нескольким учебным дисциплинам.

Вопросы расчета и проектирования электрических цепей и электронных компонентов (усиление сигналов, построение фильтров, модуляция и демодуляция сигналов) изучены в дисциплинах электронного цикла – «Электротехника», «Физические основы электроники», «Электроника», «Прикладная теория информации».

Исполнительные устройства достаточно подробно изучаются в курсах «Электрические машины» и «Гидропневмоавтоматика».

Микропроцессорной технике и ее применению в системах управления также посвящены отдельные учебные дисциплины.

В представленном курсе «Элементы и устройства систем управления» основное внимание уделено изучению датчиков, используемых в системах автоматического управления (САУ).

Любой элемент САУ можно рассматривать как самостоятельное устройство, обладающее определенными свойствами. Для удобства описания свойств элемента выделим два основных сигнала - входной X и выходной Y (рис. 2).

В простейшем случае X и Y - скалярные сигналы (один сигнал на входе, один на выходе). В общем случае X и Y могут быть векторными величинами, т.е. элемент может иметь несколько входных воздействий x₁ ,x₂ …x_n и создавать сразу несколько выходных сигналов y₁, y₂, …y_m.

Входной сигнал является внешним воздействием и порождает в элементе реакцию в виде выходного сигнала. Кроме входного сигнала на реакцию элемента могут влиять другие процессы, которые будем считать возмущениями F и в необходимых случаях учитывать.

Рис.2

Общее представление элемента автоматической системы.

Чтобы определить и описать свойства элемента при его функционировании проделаем следующий эксперимент: подадим на вход элемента тест – сигнал и рассмотрим реакцию элемента во времени. Наиболее удобен для такого эксперимента входной сигнал в виде ступенчатого воздействия. Типичная реакция элемента на ступенчатый входной сигнал показана на Рис. 3.

Рис.3

Реакция элемента на ступенчатый входной сигнал

Ввыходном сигналеY(t) выделяются два характерных участка – переходный процесс ( t = t₀ … t_П) и установившийся процесс (t = t_П … ¥). Поскольку во многих случаях математическое описание процесса Y(t) представляет собой экспоненту e^-lt или сумму экспонент, то формально переходный процесс никогда не закончится, так как экспонента будет стремиться, но никогда не достигнет своей асимптоты. Такой результат для технических приложений не конструктивен, поэтому в теории автоматического управления принято, что переходный процесс считается закончившимся в тот момент времени t_П, когда процесс Y(t) вошел внутрь трубки ±5% от установившегося значения, как показано на рис.3. Величина установившегося значения Y¥ может быть получена экспериментально или (для линейных стационарных элементов) вычислена по теореме о предельном значении оригинала.

Выделение в реакции элемента на ступенчатое входное воздействие двух разнородных участков (переходный и установившийся процессы) позволяет рассматривать две группы свойств – статические и динамические свойства элементов.