Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория автоматического управления. Ч.1. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ГРОЗНЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ АКАДЕМИКА М.Д. МИЛЛИОНЩИКОВА
Кафедра «Автоматизация технологических процессов и
производств»
М.Ш. Минцаев, З.Л. Хакимов, М.Р. Исаева, В.В. Шухин
ТЕОРИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
Часть 1
Учебное пособие
Грозный 2019
УДК 681.51.01 (075.8)
ББК 32.965-01
М 57
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор кафедры «Промышленная электроника»
СКГМИ, г. Владикавказ В.В. Хмара
канд. техн. наук, доцент кафедры «Электротехника и электропривод»
Р.А.-М. Магомадов
Минцаев, М.Ш. Теория автоматического управления. Часть 1: учебное
пособие / М.Ш. Минцаев, З.Л. Хакимов, М.Р. Исаева, В.В. Шухин. – Грозный:
ГГНТУ, 2019. – 89 с.
Пособие соответствует требованиям Федерального государственного
образовательного стандарта по направлениям подготовки: 15.03.04 - Автоматизация
технологических процессов и производств, 27.03.04 – Управление в технических
системах. В пособие включен теоретический материал и контрольные вопросы по
разделу «Линейные системы» курса «Теория автоматического управления».
Рекомендовано Ученым советом ФГБОУ ВО ГГНТУ им. акад.
М.Д. Миллионщикова в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся
по направлениям подготовки: 15.03.04 - Автоматизация технологических
процессов и производств, 27.03.04 – Управление в технических системах.
© Минцаев М.Ш., 2019
© Хакимов З.Л., 2019
© Исаева М.Р., 2019
© Шухин В.В., 2019
©Федеральное государственное
бюджетное образовательное и учреждение
высшего образования «Грозненский
государственный нефтяной технический
университет имени академика М.Д.
Миллионщикова», 2019
Оглавление
Предисловие .................................................................................................. 4
Введение ........................................................................................................ 5
1. Основные понятия и определения ТУ. Объект автоматического
регулирования. Блок-схемы АСР. Классификация АСР по принципу
регулирования и функциональному признаку .......................................... 7
2. Математическое описание элементов АСР .......................................... 15
3. Основные типы регуляторов .................................................................. 22
4. Типовые внешние воздействия .............................................................. 24
5. Преобразование Лапласа ........................................................................ 26
6. Определение оригинала по изображению ............................................ 30
7. Передаточная функция ........................................................................... 33
8. Типовые звенья АСР ............................................................................... 35
9. Основные операции блок- алгебры ....................................................... 39
10. Прямой расчет АСР ............................................................................... 42
11. Устойчивость АСР ................................................................................ 46
12. Методы оценки качества систем управления..................................... 51
13. Оценка качества переходного процесса при воздействии
ступенчатой функции ................................................................................. 55
14. Алгебраические критерии устойчивости АСР ................................... 62
15. Частотные критерии устойчивости Найквиста .................................. 67
16. Определение области устойчивости АСР в плоскости настройки
параметров ПИ – регулятора ..................................................................... 70
17. Построение кривой равной степени затухания переходного
процесса в плоскости параметров настройки ПИ – регулятора ............ 75
18. Приближенное построение переходного процесса по вещественно -
частотной характеристике системы .......................................................... 80
19. Построение процесса регулирования АСР с помощью
интегрирования
)Re(
численными методами ..................................... 84
Заключение………………………………………..………………..…..…88
Список использованной литературы…………………….………........…89
4
Предисловие
Теория автоматического управления (ТАУ) – научная дисциплина,
предназначенная для выявления общих закономерностей
функционирования, присущих автоматическим системам различной
физической природы, и разработке на основе этих закономерностей
принципов построения высококачественных систем управления. ТАУ при
изучении процессов управления вместо реальных систем рассматривает их
адекватные математические модели. Основными методами исследования в
ТАУ являются математическое моделирование, теория обыкновенных
дифференциальных уравнений, операционное исчисление.
В данном пособии рассматриваются линейные системы
автоматического управления, виды воздействия и реакции систем на эти
воздействия. Рассматриваются типовые функциональные звенья и их
передаточные функции и графики. Рассматриваются все законы
регулирования, а также переходные процессы и показатели качества
системы.
Задача пособия - способствовать формированию у обучающихся
знаний и умений в применении методов теории линейных систем
автоматического управления для анализа и синтеза систем
автоматического управления реальными технологическими процессами.
5
Введение
Теория автоматического управления сформировалась как
самостоятельная наука на основе изучения процессов управления
техническими устройствами. Науку об управлении техническими
устройствами называют технической кибернетикой. Разделами
технической кибернетики являются теория информационных устройств,
связанная со сбором и переработкой информации, необходимой для
управления системой человеком, и теория автоматического управления,
связанная с управлением системой без непосредственного участия
человека. В основу ТАУ положена теория автоматического регулирования,
ставшая самостоятельной наукой к середине XX столетия. Регулирование
считают простейшей разновидностью управления.
Автоматическим регулированием называют поддержание
постоянной некоторой заданной величины, характеризующей процесс, или
изменение ее по заданному закону, осуществляемое с помощью измерения
состояния объекта или действующих на него возмущений и воздействия на
регулирующий орган объекта. Управление охватывает больший круг задач.
Под автоматическим управлением понимают автоматическое
осуществление совокупности воздействий, выбранных из множества
возможных на основании определенной информации и направленных на
поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта в
соответствии с целью управления.
Сравнение определений регулирования и управления показывает,
что все задачи регулирования входят в состав задач управления как более
простые варианты. Кроме того, типовыми задачами автоматического
управления считают адаптацию или самонастройку системы управления в
соответствии с изменением ее параметров или внешних воздействий,
6
оптимальное управление и другие, не входящие в круг задач
автоматического регулирования.
Основные понятия, принципы, задачи и методы классической ТАУ
сохраняют свою актуальность и получают дальнейшее развитие в
современной теории интеллектуальных систем управления. Новым в этих
подходах является существенное возрастание значения понятия
информации и компьютеризация процессов обработки информации,
поскольку любая система автоматического управления (САУ)
представляет собой систему, выполняющую поставленную перед ней
задачу путем сбора, передачи, обработки и использования информации на
основе принципа обратной связи.
В ТАУ ключевым является понятие модели – определенной
математической абстракции, описывающей процесс управления любой
природы. Задачи анализа и синтеза САУ решаются методом
математического моделирования. Математическое описание объекта
управления, функциональных блоков САУ позволяет прогнозировать
поведение объекта, возможность достижения поставленных целей
управления при различных внешних условиях и т.д. Более того, поскольку
самые разнообразные реальные процессы могут быть описаны в рамках
одних и тех же математических структур, общая теория управления может
оперировать не с конкретными техническими описаниями, а с классами
математических моделей. Это обстоятельство придает ТАУ внешний
облик математической дисциплины.
7
1. Основные понятия и определения ТУ. Объект
автоматического регулирования. Блок-схемы АСР. Классификация
АСР по принципу регулирования и функциональному признаку
Современное промышленное предприятие имеет иерархическую
структуру с 3-мя основными ступенями:
Промышленное
предприятие
Цех
Установка
Производственный процесс
Верхняя ступень
Средняя ступень
Нижняя ступень
Аппараты
Агрегаты
Рис.1. Типовые производственные процессы на промышленном
предприятии.
На каждой ступени иерархии промышленного предприятия решается
своя задача управления.
Итак, объектом управления нижней ступени является
производственный процесс, поэтому задачей управления является
стабилизация технологических параметров: давления, уровня, расхода,
состава, скорости и т.д.
8
Объектом управления средней ступени является установка, поэтому
задачей управления является получение продукта требуемого качества при
минимальных затратах. Этого добиваются оптимальным распределением
нагрузок между агрегатами, поиском оптимальных технологических
режимов. Объектом управления верхней ступени является предприятие в
целом.
Поэтому задачей управления является решение плановоэкономических задач, определяющих эффективность работы предприятия.
Предметом теории управления является изучение свойств типовых
технологических процессов, как объектов управления и выбор
рациональной АСР.
Решение задач управления на среднем и верхнем уровне иерархии
предприятия невозможно без четкой работы АСР, т.к. именно они
осуществляют непосредственное воздействие на производственный
процесс.
Первый промышленный регулятор был изобретен в 1765 году И.И.
Ползуновым для созданной им паровой машины рис.2.
Рис.2.Схема первого промышленного регулятора.
9
Задачей регулирования в данном объекте является поддержание в
паровом котле постоянного уровня Н.
Регулятор представляет собой поплавок, связанный системой
рычагов с регулирующей заслонкой. При увеличении уровня поплавок
поднимается вверх, заслонка опускается, прикрывая трубопровод и
уменьшая подачу воды в котел. При уменьшении уровня – все наоборот.
Рассмотрим основные понятия и определения ТАУ на примерах
регулирования различных технологических процессов.
Рис.3. Пример функциональной схемы регулирования уровня в
технологическом аппарате.
В данной системе регулирования:
Х- текущее значение уровня;
Хзд- заданное значение уровня;
Хр- регулирующее воздействие на клапан;
Qст – уровень жидкости на стоке.
-датчик уровня;
-регулятор уровня;
LT
LC
10
Хв–возмущающее воздействие.
Работа АСР осуществляется следующим образом:
- при возникновении Хв уменьшается Qст, в этом случае уровень
будет увеличиваться;
- текущее значение Х будет увеличиваться, регулятор LC начнет
изменять выходной сигнал Хр в сторону уменьшения Q притока;
- в результате рост уровня прекратится в момент, когда Qпр=Qст.
На этом процесс регулирования уровня в емкости заканчивается.
Таким образом, задача АСР состоит в стабилизации регулируемой
величины, как в данном случае уровня.
Рис.4. Пример функциональной схемы регулирования температуры верха
колонны.
Рассмотрим блок-схему АСР на рис.5.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]