Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы автоматики. Учебное пособие
.pdf
А. И. Бабёр
ОСНОВЫ АВТОМАТИКИ
Допущено Министерством образования Республики Беларусь
в качестве учебного пособия для учащихся учреждений
образования, реализующих образовательные программы
среднего специального образования по специальностям
профиля образования «Техника и технологии»
Минск
РИПО
2022
УДК 681.5(075.32)
ББК 32.965я723
Б12
преподаватель УО «Минский государственный колледж электроники» А. И. Бабёр
А в т о р:
Рецензенты:
цикловая комиссия общепрофессиона льных дисциплин филиала БНТУ
«Минский государственный политехни ческий колледж» (Н. И. Чембрович);
исполняющий обязанности заведующего кафедрой автоматизированных
систем управления производством УО «Белорусский государственный
аграрный технический университет» кандидат физико-математических
наук, доцент Н. М. Матвейчук
Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой ее части
не может быть осуществлено без разрешения издательства.
Выпуск издания осуществлен при финансовой поддержке Министерства образования Рес
публики Беларусь.
Бабёр, А. И.
Б12
Основы автоматики : учеб. пособие / А. И. Бабёр. – Минск : РИПО,
2022. – 83 с. : ил.
ISBN 978-985- 895- 016 -3.
В учебном пособии рассмотрены основы автоматического у правлени я, общие
сведения о системах автоматического управления, их к лассификация, сведения об
элементах и устройства х автоматики. Изложен принцип действия основных элементов и устройств, освещаются возможности использовани я вычислительной техники
в устройствах автоматик и. Курс базируется на знаниях, полученных в результате
изучения дисциплин «Электротехника», «Электропривод», «Основы схемотехники», «Техническая механика», а так же ряда общеобразовательных дисциплин.
Предназначено для у чащихся учреж дений среднего специального образования
по специальностям профиля образовани я «Техник а и технологии», может быть полезно студентам вузов и специалистам, работающим в области автомат ики.
УДК 681.5(075.32)
ББК 32.965я723
ISBN 978-985-895-016-3 © Бабёр А. И., 2022
© Оформление. Республиканский институт
профессионального образования, 2022
ВВЕДЕНИЕ
Первые автоматические устройства промышленного назначения стали появляться в XVIII в. в связи с созданием паровых
машин. И.И. Ползунов изобрел регулятор уровня воды в котле паровой машины, использовав принцип, который известен и
широко применяется как принцип регулирования «по отклонениям». Английский изобретатель Дж. Уатт разработал центробежный регулятор скорости вращения вала. Ж. Жаккаром был
разработан ткацкий станок с программным управлением.
Во второй половине XIX в. появились устройства, основанные на применении электрической энергии. К.И. Константинов
разработал электромагнитный регулятор скорости вращения паровой машины. П.Л. Шиллинг в 1830 г. изобрел электромагнитное реле – одно из важнейших устройств, до сих пор широко
применяемое в автоматике. Создание электронных ламп вызвало
быстрое развитие автоматических устройств и способствовало
продвижению науки об автоматическом регулировании.
Первоначально работы по созданию автоматических систем
в различных отраслях техники велись независимо друг от друга.
В начале 40-х годов XX в. автоматика стала формироваться как
наука, изучающая общие принципы регулирования и управления в технике независимо от области ее применения.
Еще в XIX в. английский математик Дж. Буль в расчете формализовать процесс мышления разработал алгебру логики, которая тогда была воспринята как курьез. Через 100 лет этот раздел
науки, развитый до теории автоматов, стал основным в теории
автоматики и вычислительной техники.
Развитие автоматики происходило от создания отдельных автоматических устройств (ткацкий станок, автоматический регулятор скорости, уровня и др.) к автоматическим системам (энергетические системы, системы защиты от коррозии; автоматизация работы инженерных систем, в частности канализации и т. д.).
В 1944 г. была создана первая ЭВМ, а в 1948 г. Н. Винер
(один из ее создателей) ввел термин «кибернетика», обозначив им
3
Введение
теорию управления и связи. Кибернетика – греческое слово, обо-
значающее «искусство управления» (имелось в виду управление
обществом). В настоящее время под этим термином понимают
науку, которая занимается управлением, общими закономерностями процессов управления и передачи информации в технических и биологических объектах. Автоматика – один из разделов
кибернетики.
С развитием науки, общей для разных областей знаний, появилась возможность проектирования систем, основываясь на
общих принципах регулирования, что благоприятно сказалось
на автоматизации во всех областях техники и науки.
Качество разрабатываемых на разных этапах механизмов и
устройств во многом зависело от таланта, уровня знаний разработчика (изобретателя) и его умения изготовить устройство.
Создание научных знаний в области автоматики приводит к использованию этих знаний с уменьшением роли интуиции разработчика.
В настоящее время трудно найти область знаний, в которой
не используются принципы автоматики: станки с ЦПУ (цифровым программным управлением), авиация, кораблестроение и
навигация, передача управления на расстояния, связь, использование ВТ для управления объектами, интернет и его использование в промышленных объектах и т. д.
Интересно, что автоматическое управление используется не
только в важных и сложных промышленных и научных объектах, но и в устройствах, не представляющих особой важности
(например, детские игрушки). Более того, разработки в несущественных сферах иногда опережают, а затем переносятся в важные сферы. Примером могут служить квадрокоптеры, которые из
области игру шек переш л и в ва ж ную соста в л яющ у ю промышленности, науки и военной техники.
Особую роль в области автоматики играет вычислительная
техника, с помощью которой успешно решаются не только сложные задачи проектирования систем автоматики, но и конкретные
задачи управления. Неоценимую роль в автоматических системах управления играют микроконтроллеры, которые заменяют
большое количество регулирующей аппаратуры. Системы становятся компактными и более простыми в управлении.
Теоретические основы регуляторов разработаны А.И. Вышнеградским, Дж.К. Максвеллом; большой вклад в развитие на-
4
уки об автоматическом регулировании внесли Н.М. Ляпунов,
П. Лаплас, Дж. Карсон, О. Хевиссайд, Л. Эйлер, А.В. Михайлов, Ю. Неймарк, В.С. Кулебакин, В.В. Солодовников, А.Н. Колмогоров и многие другие.
Родившись как инструмент расчетов в отдельных дисциплинах, автоматика преобразовалась в самостоятельную науку, используемую во всех отраслях знаний.
5
Раздел 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
О СИСТЕМАХ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
1.1. Основные понятия и определения автоматики
Любое устройство, в том числе и автоматическое, состоит из
отдельных элементов, ка ж ды й из которых выполняет свою фун кцию. Действия элементов в автоматических системах должны
подчиняться определенным законам, в соответствии с которыми
осуществляется их работа. Современная автоматика строится на
основе теории автоматического регулирования (ТАР), которая и
содержит необходимые для управления сведения. Довольно часто в современных системах просто регулирования недостаточно:
необходимо не только регулировать, но и управлять, например
путем передачи определенных сведений в систему. Поэтому более
широкой теорией является ТАУ – теория автоматического управ
ления. Целью регулирования является поддержание на заданном
уровне или изменение по заданному закону некоторых величин,
которые часто называют выходными величинами. Выходные пара-
метры изменяются в соответствии с изменением входных величин.
Входные и выходные параметры могут отличаться. Отличие их
определяется ошибкой регулирования. Чем меньше ошибка, тем
точнее система.
Объектом регулирования (управления) могут быть разные
устройства: двигатель, турбина, паровой котел, дроссельная заслонка и т. д. Объекты регулирования могут быть простыми, но
могут быть и достаточно сложными (паровой котел, турбина, генератор).
При регулировании система подвергается влиянию возму
щений (возмущающих факторов). Возмущения представляют со-
бой любые воздействия на систему, которые стремятся исказить
результат регулирования. Возмущающие факторы бывают как
внешними, так и внутренними. Внешние возмущающие факторы
создаются средой, в которой находится оборудование, внутрен-
6
1.1. Основные понятия и определения автоматики
ние – качествами самой системы, которые не могут быть заранее
учтены (износ, нестабильность источников питания, температурные влияния и т. д.).
В систему регулирования входят объект регулирования (ОР)
и элементы, необходимые для регулирования. Регулируются различные величины: скорость, давление, температура, расход, влажность и т. д.
Регулирование может производиться вручную или без участия человека – автоматически. В последнем случае система называется системой автоматического регулирования (САР) или си
стемой автоматического управления (САУ). Взаимодействие между элементами устройства описывается с помощью структурной
схемы, в которой составные части изображаются в виде прямоугольников, взаимосвязи между ними – стрелками. Существуют
некоторые правила изображения структурных схем, которые становятся понятными из примеров.
Замкнутая и разомкнутая системы
На рисунке 1 изображены структурные схемы замкнутой
(а, б) и разомкнутой (в) систем регулирования. В замкнутых си-
стемах выходная величина измеряется и сравнивается с входной
величиной. Возникает возможность определить отклонение выходной величины от входной и произвести необходимые действия, чтобы уменьшить либо вообще уничтожить отклонения.
В разомкнутых системах такой возможности нет.
Q
ОР
х
возм
х
х
ОРРО
возм
у
ЭС
x
з
З
а
y′
ЭС
x
∆x
з
З
б
y′
x
з
З
в
Рис. 1. Структурные схемы систем рег улирования
У
У
Д
У
Д
k(∆x)∆x
k(∆x)
k(xз)
ОР
возм
у
у
7
Раздел 1. Общие сведения о системах автоматического управления
1.2. Структурные схемы систем регулирования.
Основные элементы
В схемах, показанных на рисунке 1, приведены устройства,
работа которых описана ниже.
С помощью задатчика (З) задается закон xз(t) изменения
выходной величины y(t). В качестве задатчика могут использо-
ваться различные устройства: потенциометр, генератор частоты,
регулируемый источник напряжения или тока и т. д. Величина
xз(t), за да н на я с за дат ч и ка, яв ляе т ся входной велич и ной. Входная
величина может иметь разную физическую природу: напряжение, ток, сила, частота и т. д. На выходе – выходная величина
y(t) – величина, для управления которой создана система регу-
лирования. Выходной величиной может быть скорость, давление,
напряжение, уровень жидкости в резервуаре и т. д. В зависимости
от назначения системы входная величина xз(t) может изменяться с течением времени t или быть постоянной. Зависимость от
времени обеих величин показана в их обозначениях – в виде
функции от времени. Если xз(t) постоянная величина, выходная
величина y(t) тоже будет постоянной и система будет называться
стабилизирующей. Стабилизирующих систем много: стабилизатор напряжения, стабилизатор тока, стабилизатор высоты, стабилизатор давления и т. д. Если величина xз(t) изменяется, она
отклоняется от некоторого среднего значения и задается в виде
приращений к среднему значению. Приращения могут быть как
положительными, так и отрицательными. Тогда выходная величина y(t) также отклоняется от некоторого среднего значения.
Зависимость y(x) определяется в одни и те же моменты вре-
мени. Для простоты входную величину обозначают символом x
(а не x(t), что было бы точнее), выходную – y, подразумевая их
зависимость от t. Часто входную величину обозначают xвх, а выходную x
Усилитель У служит для усиления мощности, воздействующей на объект регулирования (ОР). Усилитель имеет коэффициент усиления k, его выходная величина k(∆x). Воздействие на ОР
осуществляется с помощью регулирующего органа (РО). Например, расход воды или газа регулируется заслонкой или вентилем,
напряжение – регулируемым усилителем, автотрансформатором
или магнитным усилителем и т. д. Регулирующее воздействие
k(∆x) на РО, поступающее от усилителя У, изменяет состояние РО
8
вых
.
1.2. Структурные схемы систем регулирования. Основные элементы
так, чтобы изменить воздействие величины Q на ОР в необходимом направлении. Например, если ОР является электродвигатель
постоянного тока, выходной величиной y может быть скорость
вращения. Регулирование производится, например, изменением
напряжения, подаваемого на якорь двигателя. РО может служить
тиристорный преобразователь напряжения. На него поступает
управляющее воздействие k(∆x), изменяющее напряжение выхода
тиристорного преобразователя, поступающего на якорь двигателя. В этом случае под Q можно понимать напряжение сети или
максимальное напряжение преобразователя.
Если ОР – паровой котел, выходная величина y – температура пара, а РО – вентиль, через который в топку подается
топливо, например газ. Под Q можно понимать давление поступающего газа, которое является постоянным. При необходимости повысить температуру пара следует больше открыть вентиль
(РО), чтобы увеличить коли чество топлива, поступающего в топку. Система должна быть спроектирована так, чтобы увеличению
k(∆x) соответствовало большее открытие вентиля и большее по-
ступление топлива.
В замкнутых системах выход объекта регулирования связан
с его входом. В изображенном примере выход связан со входом
с помощью датчика Д, измеряющего выходную величину. Передача выходной величины на вход называется обратной связью
(ОС). Выходная величина y сравнивается с входной х посредством элемента сравнения (ЭС). Датчик, кроме измерения, должен преобразовать выходную величину так, чтобы на ЭС входная
и выходная величины могли быть подвергнуты сравнению. Например, если входная величина x поступает в виде напряжения,
а выходная y представляет собой угловую скорость, сравнить их
можно, преобразовав угловую скорость в соответствующее ей напряжение. Поэтому на рисунке 1 на ЭС поступает преобразованная выходная величина y′. Подавляющее число промышленных
САР относятся к замкнутым системам.
С помощью ОС образуется контур регулирования. Системы бывают одноконтурными, если регулируется одна выходная
величина по одному каналу регулирования. Если регулируется
несколько величин (например, для двигателя: скорость, момент,
величина перемещения, сила тока), то системы могут быть двухконтурными и более. При этом каждая регулируемая величина
входит в свой контур регулирования. Контуры регулирования
9
Раздел 1. Общие сведения о системах автоматического управления
обычно соединяются последовательно. Обратные связи организуются как в каждом контуре, так и охватывающими несколько
контуров.
Регуляторы
Обычно Q на входе ОР постоянно. Меняется состояние на
выходе, которое в этом случае зависит только от k(∆x). Поэтому
часто структурную схему регулирования (см. рис. 1, а) изобража-
ют в виде схемы (см. рис. 1, б ), в которой РО помещен в объект
регулирования.
На ОР действуют возмущения (возмущающий фактор) x
возм
, т. е.
воздействия, искажающие заданный закон регулирования. Возмущения могут быть как внешними, так и внутренними. Внешние возмущения поступают извне и против их воздействия направлено регулирование. Например, для системы регулирования
давления пара парового котла возмущающими факторами могут
являться расход пара (больше расход – меньше давление), теплотворная способность топлива, температура окружающей среды
и т. д. Для системы регулирования скорости двигателя возмущающими факторами могут быть изменение нагрузки (момента на
валу), изменение напряжения сети. Внутренние возмущения возникают из-за невозмож ности учесть все услови я в системе рег у лирования (например, износ элементов, допуски на размеры и т. д.).
Внутренние возмущения возникают внутри системы, но они не
направлены на достижение цели регулирования, а наоборот.
Во многих случаях усилитель, датчик, регулирующий орган
и другие элементы включают в одно устройство, которое называют регулятор. Регуляторы могут быть достаточно простыми или,
наоборот, очень сложными. От особенностей регулятора в большой мере зависит качество системы.
Cистемы с ОС удобно изображать, как на рисунке 2, где регулятор обозначен буквой Р. На этом рисунке нарушен принцип
«входы слева – выходы справа», но такое изображение используют вследст вие ег о компа к тности. Иногда ЭС и РО также помещают в регулятор. В системе по рисунку 2 регулятором используется
непосредственно выходная величина, скорректированная величиной xз, поступающей с задатчика.
В разомкнутых системах (см. рис. 1, в) нет ОС. Однако они
также могут быть автоматическими. Это возможно в случаях,
когда известна величина возмущения и время его воздействия.
Тогда сигнал, поступающий с задатчика, должен содержать две
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]