Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы теории управления и автоматики судовых энергетических установок. Методическое пособие
.pdf
Адаптивные системы
Иное название этих
систем – самоприспосабливающиеся.
Существующие системы стабилизации или следящие системы реализуют
П, И и Д законы регулирования, которые позволяют обеспечить требуемые качества регулирования в соответствии с законом. Однако изменение внешних
условий работы объекта или других параметров, влияющих помимо основных
возмущений на поведение объекта, требует создания такой системы управления, которая позволила бы во всех случаях получить значение регулируемой
величины, близкое к оптимальному. Это выполняют адаптивные системы.
Адаптивные системы можно подразделить на два класса поисковые и аналитические. В основе поисковых систем лежит либо устройство, запоминающее экстремум искомой функции, либо устройство, реагирующее на знак и величину
производной.
Схема адаптивной системы 1-го типа представлена на рис.
Рис.18. Схемы адаптивных систем.
При поиске на запоминающее устройство ЗУ приходит регулируемая величина, которая изменяется под действием управляющего воздействия u. Текущее значение регулируемой величины х запоминается и сравнивается с предыдущим х
. Когда б=х
з.у.
-х будет равна нулю, то это означает, что регулируе-
з.у.
мая величина достигла максимума, а если б становится меньше нуля, то это
приводит к реверсу с помощью реверсивного устройства РУ исполнительного
механизма ИМ и к изменению знака приращения u. В результате происходят
колебания системы около экстремальной части, амплитуда которых должна
удовлетворять требованиям заданной точности.
В состав аналитических систем могут включаться электронные вычислительные машины, в функции которых входит выработка значений регулируемой величины по заданному алгоритму в зависимости от возмущающего воздействия.
52
На рис.б представлена схема аналитической адаптивной системы с идеальной моделью. Идеальная модель сохраняет свои свойства и выходной сигнал с
идеальной модели Хм строго отвечает задающему воздействию. В то же время
реальная система может изменять свои свойства и сигнал на ее выходе Х может
изменяться появление отклонения Х от Хм приводит к воздействию исполни-
тельного механизма ИМ на систему и сигнал Х изменятся до тех пор, пока разность Х и Хм не уменьшится до заданного значения.
В качестве примера адаптивной системы управления дизелем рассмотрим
возможную схему управления углом опережения подачи топлива
подобного типа приводятся в [4]). Величина
является одним из главных
on
(схемы
on
факторов, влияющих на удельный эффективный расход топлива ве. С увеличением частоты вращения судового дизеля для снижения в
величину
е
целесо-
on
образно увеличивать, так как при этом большая часть топлива сгорает в фазе
кинетического сгорания. При каждом значении n оптимальное значение
on
также зависит от величины цикловой подачи вц (т.е. от нагрузки) поэтому необходимо спроектировать такую адаптивную систему, которая бы обеспечивала
поиск оптимального значения
при различных изменяющихся значениях n и
on
вц. Контрольным параметром эффективности такой системы при постоянных
значениях n и нагрузки могла бы служить минимальная величина секундного
расхода топлива q, которая относительно просто регистрируется приборами.
Схема системы с запоминающим устройством ЗУ реверсивным устройством РУ
соответствует схеме на рисунке. Величина
не должна превышать значений,
on
при которых максимальное давление в цилиндре и концентрация оксидов азота
выше предельных значений, что является ограничением для выбора
В качестве исполнительного механизма для изменения
в автомобиль-
on
on
.
ных и тракторных двигателях находят применение муфты с изменяемым углом
между двумя полумуфтами, одна из которых соединена с приводом топливного
насоса, а другая – с коленчатым валом дизеля, а также системы уравнения поворотом втулки плунжера или ее ходом. На судовых дизелях находят применение электронно-управляемые форсунки различной конструкции.
53
ПОНЯТИЕ ОБ ЭЛЕМЕНТАХ И МЕТОДАХ АНАЛИЗА ДИСКРЕТНЫХ
СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
Основные понятия алгебры логики
Как уже отмечалось, системы автоматического (и автоматизированного,
т.е. с участием оператора) управления осуществляют операции разового действия: пуска, остановки, реверса и т.п.
Помимо датчиков, усилителей и исполнительных устройств эти системы
включают логические элементы, предназначенные для формирования выходных сигналов, идущих на исполнительные устройства. В основе последовательности работе логических устройств и их взаимосвязи лежит программа или
заданный алгоритм управления.
Логические элементы объединяются в логический автомат, связывающий
входные сигналы от датчиков управления х1, ..., хm с выходными, идущими на
исполнительные устройства у, ..., уn (рис).
Рис.19 Принципиальная схема логического автомата
Величина сигнала на выходе датчиков и входе исполнительных элементов,
как правило, меняется скачками. Логические элементы также, как правило,
имеют входные и выходные сигналы дискретного вида. Основные задачи, с которыми встречается инженер-механик в эксплуатации и проектировании систем
управления – это задачи поиска неисправностей и оптимизации системы с целью повышения ее надежности и снижения стоимости. Для решения этих задач
используется аппарат алгебры логики (булевой алгебры).
Рассмотрим некоторые основные понятия алгебры логики. Применительно
к электрическим логическим элементам условимся, что факт отсутствия напряжения на i-ом входе логического блока соответствует значению хi=0, факт его нали-
чия xi=1, факт отсутствия напряжения на i-ом входе уi=0, факт наличия yi=1.
Это же в целом относится к отдельным логическим элементам. Таким образом, всякая переменная в алгебре логики может принимать значение 0 или 1.
Функцией переменных или переключательной функцией называют функцию (или выходную величину f(х1, x2, ..., xn), которая также может принимать
лишь два значения 0 или 1 и зависит от аргументов – входных величин x1, x2, ...,
xn. В булевой алгебре существуют следующие операции: отрицание, сложение
и умножение. Отрицание (инверсия, дополнения) означает. что выходная величина изменяет свое значение на противоположное. Например: x=1; x=0 (здесь x
означает, что берется величина НЕ x). Если х=0, то х=1.
54
Логическое умножение (пересечения или конъюнкция)
f(x1, x2)=x
или f(x1, x2)=x
1x2
1x2
.
Означает, что f(x1, x2)=1 только при x1=1 и x2=1. Эта операция называется
И и соответствует условию появления напряжения на лампе (рис. а) в зависи-
мости от положения контактов реле, если последние включены в цепь лампочки
последовательно.
Рис.20 Схема релейно-контактных логических элементов: а — элемент И; б — элемент ИЛИ
Логическое сложение (дизъюнкция):
f(x1, x2)=x1 + x2
f(x1, x2)=x
1
x
2
Эта логическая функция означает следующее:
f(x1, x2)=1, когда x1=1, x2=0
или когда x1=0 и x2=1,
или когда x1=1 и x2=1.
Эти операции иначе называются ИЛИ и физически соответствует условию
появления напряжения на лампочке (136б) в зависимости от положения контактов а, b, и с.
В алгебре логики существуют следующие основные законы
1) переместительные: x
x
1x2=x2x1
2) сочетательные (x
1x2
1x2=x2x1
)x
3=x1
∨ (x2∨ x3)
(x1∧ x2)∧ x3=x1∧ (x2∧ x3)
3) распределительные (x1∨ x2)∧ x3=(x1∧ x3)∨ (x2∧ x3)
(x1∧ x2)∨ x3=(x1∨ x3)∧ (x2∧ x3)
4) инверсии
Логические операции
называются И – НЕ и ИЛИ – НЕ.
55
При описании схемы управления используются сложные булевые функции, содержащие как произведения, так и суммы булевых переменных. Различают две нормальные формы выражений логических функций: дизъюнктивную
и конъюнктивную. Нормальная дизъюнктивная форма (НДФ) содержит сумму
членов функций, записанных в виде произведений, например:
Нормальная конъюнктивная форма (НКФ) содержит произведение сумм,
например:
САУ, в которых предусматривается последовательность во времени работы исполнительных устройств, называются многотактными.
В них имеются временные задержки и элементы памяти. Функционирование
многотактных САУ описывается с помощью рекуррентных булевых функций.
56
Логические элементы и схемы на логических элементах
В системах автоматического управления на водном транспорте нашли
применение логические элементы различного типа: на электромагнитных реле,
пневматические, гидравлические, полупроводниковые. Наибольшее применение в системах ДАУ на судах нашли пневматические логические элементы и на
электромагнитных реле. В частности схемы аварийно-предупредительной сигнализации и защиты выполняются в основном на электромагнитах реле, а схемы управления пуском и реверсом – на пневмоэлементах или гидравлическими.
На рис.137 представлены схемы релейно-контактных логических элементов
различного типа и приводятся реализуемые или булевые функции.
Основой для составления схемы управления служит алгоритм выполняемых схемой логических операций.
Рис.21 Схема релейно-контактных логических элементов НЕ; И; ИЛИ; ЗАПРЕТ; ВРЕМЯ,
а также их соединений
На рис. ниже представлена схема системы на электроконтактных элементах, включающая последовательно соединенные элементы ИЛИ и НЕ.
Рис.22. Схема системы на электроконтактных элементах
57
Синтез логических систем.
Пример операций синтеза логической системы
Синтезом логической системы называется проектирование логической
системы по заданному алгоритму. Пусть требуется разработать логический автомат для пуска и остановки электродвигателя постоянного тока. Автомат должен работать на основании получаемой информации от трех датчиков у1, у2, у3.
Для кодирования сигналов и состояния электродвигателя используется двоичная система исчисления. Отсутствие или наличие сигнала от датчика закодируем соответственно цифрами 0 и 1, включение и выключение двигателя – соответственно цифрами 1; 0. Состояние автомата на выходе обозначим величиной х.
Положим, что алгоритм функционирования автомата представлен в табл.
Составим нормальную дизъюнктивную функцию, с этой целью для каждой
строчки, в которой величина х равна 1, составим конъюнкции:
Соединим полученные конъюнкции знаком дизъюнкции:
Произведем минимизацию полученной НДФ. Воспользуемся для этого законами алгебраической логики. Вынесем за скобки общие множители:
58
Дизъюнкции
всегда истинны, т.е. равны 1. Поэтому уравнение перепишется в виде:
Полученное выражение является минимальным по сравнению с исходной
функцией. Записанный алгоритм функционирования содержит элементарные
логические функции И, ИЛИ, НЕ. Для его реализации выберем электромагнитные двухпозиционные реле. В соответствии с материалом гл. 3 логическая операция И реализуется на реле путем последовательного включения контактов,
операция ИЛИ – путем параллельного включения контактов и операция НЕ – на
нормально замкнутых контактах.
Рис.23 Синтез релейной логической системы.
Структурная и функциональные схемы после минимизации приведены
рис.141. Сравнение функциональных схем показывает, что кол-во элементов
(контактов) в результате минимизации сократилось с 15 до 4.
59
Понятие о надежности элементов автоматики
Под надежностью понимается свойство системы (изделия) выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в установленных
пределах в течение требуемого промежутка времени. Для оценки надежности
вводятся ряд понятий и показателей:
- работоспособность – состояние изделия, при котором оно в данный мо-
мент времени соответствует всем, предъявляемым к нему, требованиям;
- отказ – нарушение работоспособности изделия;
- наработка на отказ То – математическое ожидание времени безотказной
работы изделия между отказами.
Величину То определяют по экспериментальным данным, как среднее значение времени работы изделия между отказами, т.е.
где t1, t2, ..., tn – время работы изделия между отказами, n – количество происшедших отказов, интенсивность отказов λ - величина обратная То:
- вероятность безотказной работы Ро(t) – вероятность того, что при опреде-
ленных условиях эксплуатации в заданном интервале времени или в пределах
заданной наработки отказ изделия не возникает:
Имеются также такие показатели, как среднее время ремонта Т
, коэффи-
рем
циент готовности и другие: ремонтопригодность, коэффициент технического
использования:
Перечисленные понятия и показатели позволяют обоснованно переходить
к выбору элементов системы автоматики, добиваясь высоких значений Ро(t), кг.
Система автоматики состоит из большого числа элементов, соединенных
последовательно, параллельно или смешанным образом. Наиболее просто рассчитывать вероятность безотказной работы системы Ро(t) при последователь-
60
ном соединении n элементов. Если вероятность безотказной работы элементов
Ро1(t), Ро1(t) ..., Роn(t), то вероятность безотказной работы системы может быть
определена, как произведение вероятностей безотказной работы составляющих
изделие элементов:
Поэтому величина λ для системы из последовательно соединенных элементов связана с величинами λ1, λ2 ... отдельных элементов зависимостью:
При параллельном соединении элементов (резервировании) и выходе из
строя одного из элементов работоспособность системы не нарушается. Таким
образом, параллельное соединение элементов позволяет повысить надежность
системы и уменьшить вероятность отказа (однако стоимость и весогабаритные
показатели увеличиваются).
Примем за вероятность отказа i-го элемента Р величину
Тогда при параллельном соединении элементов вероятность отказа системы будет равна произведению вероятностей отказов ее элементов.
Надежность системы определяется по формуле:
Повышение надежности системы автоматики возможно:
1. за счет повышения надежности отдельных элементов,
2. за счет резервирования, особенно менее надежных цепей – создание
дублирующих цепей.
61
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]