Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы автоматики. Учебное пособие
.pdf
1.3. Регулирование по отклонениям и регулирование по компенсации возмущений
составляющие: составляющую закона регулирования и составляющую, компенсирующую возмущение. Управление можно организовать, например, по времени. Такие устройства называют
программными. Для успешной работы программных устройств
проводят эксперименты, позволяющие определить, каким должен быть входной сигнал в течение цикла работы программного
устройства, чтобы выходная величина соответствовала проектируемому значению при действии известных возмущений.
х
Q
РО
x
Рис. 2. Система регулирования с регулятором
возм
ОР
р
Р
у
x
з
1.3. Регулирование по отклонениям и регулирование
по компенсации возмущений
Задача любой системы регулирования – изменять выходную
величину в соответствии с законом регулирования или сохранять ее в заданных пределах. Если возмущение заранее неизвестно, его необходимо измерить и компенсировать. Тогда выходная
вел и чина будет измен яться в соот ветствии с законом регулирования. Компенсировать возмущение можно по-разному. Например,
если возмущающим фактором является температура окружающей среды, избавиться от ее влияния можно: а) улучшением теплоизоляции; б) изменением количества поступающего топлива.
В случае (б) поступление топлива должно зависеть не только от
задатчика З, но и от возмущения. Такой компенсации возмущения соответствует структурная схема на рисунке 3.
х
x
з
З
Рис. 3. Система с компенсацией возмущений
k(∆x)
У
ОР
возм
х
вых
Воздействие на ОР, кроме воздействия от задатчика, будет
содержать составляющую, компенсирующую х
. Такой способ
возм
11
Раздел 1. Общие сведения о системах автоматического управления
называют регулированием путем компенсации возмущений. Несмотря на выигрыш в быстродействии, способ применяют редко изза крупных недостатков.
1. Каждое возмущение нужно измерить, чтобы знать, как его
компенсировать. Должно быть много разнообразных датчиков,
а это сложная задача, тем более, что некоторых из датчиков вообще может не существовать!
2. Из схемы видно, что измеренное возмущение подается на
вход и усиливается усилителем У. Погрешность, вызванная погрешностью измерения величины возмущения, также усиливается и на выходе может достигнуть недопустимого значения.
3. Отсутствует контроль регулируемой величины.
Большинство промышленных СР используют другой принцип, показанный на рисунке 1, а, б, который называется регули
рованием по отклонению.
Выходная величина y измеряется датчиком Д и сравнивается
с заданной величиной xз с помощью ЭС. Результатом сравнения
является отклонение ∆х = хз – y′, где y′ – преобразованная дат-
чиком выходная величина. Чем больше отклонение, тем больше
воздействие на ОР, и наоборот. Система стремится уменьшить
отклонение. В результате выходная величина «следит» за входной
и повторяет ее. Регулирование по отклонению позволяет создать
различные по назначению системы: стабилизирующие (возмущение может изменяться, а выходная величина неизменна, например, система сохранения напряжения при изменении нагрузки);
системы с программным управлением (выходная величина меняется в соответствии с изменением входной); следящие системы
(входная величина меняется произвольно, по случайному закону,
а выходная должна повторить этот закон).
Могут использоваться и комбинированные системы управления,
в которых некоторые воздействия можно скомпенсировать, чтобы они не влияли на основной закон регулирования, а регулирование производить по отклонениям. Например, если точность
системы регулирования зависит от температуры в производственном помещении, в систему регулирования удобно включить датчик температуры, в зависимости от показаний которого будет
изменяться xз (следует заметить, что иногда проще использовать
систему поддержания стабильной температуры).
Ошибка регулирования. По разным причинам выходная величина имеет отк лонение от заданной, которое и на зывается ошиб-
12
1.4. Статическое (установившееся) состояние системы. Динамическое состояние системы
кой регулирования. Действие системы направлено на уменьшение или устранение ошибки.
1.4. Статическое (установившееся) состояние системы.
Динамическое состояние системы
При подаче на вход определенного сигнала на выходе в конце
концов установится состояние, соответствующее этому сигналу.
Оно может продолжаться до тех пор, пока не изменится входной
сигнал либо изменятся возмущения. Установившимся (статиче
ским) состоянием называется та кое состояние, при котором входные и выходные величины постоянны или изменяются достаточно медленно. При этом иногда говорят, что система находится
в состоянии равновесия. Статические состояния описываются
статическими характеристиками – зависимостью выходной величины от входной y(x). Статические характеристики графиче-
ски могут иметь самый разнообразный вид – от линейного до
кривых высокого порядка. Статические характеристики являются важным средством изучения и разработки системы регулирования. Так как в статическом состоянии величины неизменны,
любая, даже самая сложная, система описывается алгебраическими уравнениями, решение которых дает значения величин
для данного установившегося состояния.
При изменении условий равновесия происходит переход в
другое статическое состояние. Переходный режим, представляющий собой состояние системы между двумя соседними статическими состояниями, называется динамическим режимом. В ди-
намическом режиме величины в каждый последующий момент
времени изменяются, т. е. зависят от времени. Динамическ ий режим не может описываться алгебраическими уравнениями, так
как алгебраические уравнения оперируют постоянными величинами. Динамический режим описывается дифференциальными
уравнениями, решение которых представляется в виде функций
времени. Другими словами, дифференциальное уравнение оперирует не постоянными числами, а функциями, числовое значение
каждой из которых можно определить в любой момент времени,
подставив в функцию значение времени. Система по-разному откликается на различные воздействия на входе. Поэтому для анализа системы пользуются типовыми воздействиями.
13
Раздел 1. Общие сведения о системах автоматического управления
Виды типовых воздействий для анализа системы
Для анализа системы используют стандартные изменения
входного сигнала. Такой подход дает возможность сравнения поведения систем в одинаковых ситуациях.
1. Единичное ступенчатое воздействие.
x
На вход системы подают однократное ступенчатое возмущение (рис. 4). Возмущение
может быть подано как со стороны управляю-
1
щего воздействия, так и со стороны нагрузки.
Величина возмущения может быть разная, но
для анализа используют единичную ступенчатую функцию x(t) = 1 (при t < 0 x(t) = 0, при
t
Рис. 4. Единичное
ступенчатое
воздействие
t > 0 x(t) = 1).
Изменение выходной величины в результате единичного ступен чатого воздействия называется переходной характеристикой.
2. Импульсное воздействие.
Импульсное воздействие заключается в том, что на вход системы подают импульс (в большинстве случаев единичный), имеющий малую длительность. Реакция системы такая же, как на
ступенчатое воздействие. Однако в момент окончания импульса
воздействие прекращается, и выходная величина возвращается к
исходному состоянию (рис. 5). Выходная характеристика называется импульсной.
Необходимость импульсной ха-
у
рактеристики возникает тогда, когда
расчетное значение выходной величины в установившемся состоянии
при ступенчатом воздействии больше допустимого. Вследствие кратковременности импульсного воздействия это состояние (недопустимое)
x
t
никогда не будет достигнуто.
Переходная и импульсная характеристики относятся к временным (т. е. зависящим от времени t).
3. Гармоническое воздействие.
На вход системы подается сиг-
t
на л си н усои д а льной фо р м ы. В за в и -
Рис. 5. Импульсное воздействие
14
симости от динамических свойств
1.5. Классификация систем автоматического управления
системы ее выходные сигналы могут изменяться как по амплитуде, так и по фазе. Результатом анализа являются частотные характеристики, состав и содержание которых будут рассмотрены ниже.
1.5. Классификация систем автоматического управления
Управление может производиться по-разному. Классифицироваться системы управления также могут по различным признакам.
Прямое и непрямое регулирование
Если регулятор (см. рис. 2) имеет достаточную мощность для
приведения в действие регулирующего органа, систему называют системой прямого регулирования (прямого действия). Примером
такой системы является регулятор уровня жидкости с регулирующим поплавком, который при заданном уровне перекрывает
входной клапан, прекращая поступление жидкости в резервуар.
В реальности систем прямого регулирования мало. Требуется
использование дополнительных устройств (например, сервомоторов, сервомагнитов), служащих средствами дополнительного
уси лени я, мощность к которым поступает от отдельн ы х источников. Системы, использующие для воздействия на регулятор дополнительные средства усиления, называют системами непрямого
регулирования.
Классификация по назначению
Одни системы предназначены для управления объектами.
К ним относят системы стабилизации напряжения или тока (или
того и другого), системы регулирования эксплуатационных параметров (производительности, скорости, мощности, чистоты поверхности и т. д.). Они так и называются: управляющие системы.
Другие – слу ж ат дл я информирования о ходе протекающего процесса. В ход процесса они не вмешиваются. Такие системы называют информационными системами.
Управляющие системы, в основном, строятся как системы
управления по отклонениям (см. рис. 1, 2). В системах автоматического регулирования человек исключается из хода регулирования технологического процесса. Он выполняет такие функции,
как включить, выключить, выбрать программу обработки (а иногда и это выполняется автоматически) и т. д. В качестве задатчика могут использоваться самые различные устройства.
15
Раздел 1. Общие сведения о системах автоматического управления
Классификация по выполняемой функции
Различают системы автоматической стабилизации выходной
величины, программные, следящие и адаптивные системы.
Автоматическая стабилизация заключается в том, что выходная величина при постоянной входной величине не изменяется
при изменении нагрузки в заданных пределах (в пределах ошибки регулирования). Примером стабилизирующей системы являются источник электрического питания со стабилизированным
напряжением (или током); стабилизатор скорости транспортного
средства; стабилизатор скорости станочного режущего инструмента; система поддержания технологического режима и т. д.
В программных системах сигнал задатчика (а с ним и вы-
ходной сигнал) изменяется по заранее известному закону (программе). Способ задания программы может быть различным – от
механических кулачков до программы, записанной в контроллер.
САУ будет управлять объектом в соответствии с этим законом.
Пример таких систем: система задания технологической температуры в тепловых печах.
Наиболее сложной системой с точки зрения управления является следящая система. В ней входная величина изменяется
случайным образом, характер ее изменения заранее неизвестен.
Неизвестен заранее и характер изменения возмущающего воздействия. В то же время выходная величина должна с наиболее
возможной точностью повторять изменение входной величины.
Примеры: система подачи в топку газа и воздуха в зависимости
от случайного изменения расхода пара; система воспроизведения
формы детали на копировальных станках.
Адаптивные системы производят управление, подстраиваясь
к изменению внешних условий или изменениям объекта регулирования. Например, в металлорежущих станках скорость резания может автоматически меняться в зависимости от припуска
на обработку. В электронной промышленности имеются установки, постоянно сверяющие размер изменяющегося от различных
условий шага с расстоянием между реперными точками.
Классификация по виду входных и выходных сигналов.
Системы регулирования непрерывного и дискретного управления
Системы непрерывного (аналогового) управления – это такие
системы, в которых значения входной и выходной величин непрерывны во времени, регулирование, т. е. изменение выходной
величины в зависимости от изменения входной, осуществляется
16
1.5. Классификация систем автоматического управления
в любой момент времени. График изменения входной величины
представляет собой непрерывную гладкую кривую.
Системы прерывистого (дискретного) управления вступают в
работу лишь в определенные моменты времени. Прерывистыми
могут быть сигналы управления, а выходные сигналы при этом
могут изменяться в определенных пределах. К прерывистым системам относят релейные и импульсные системы регулирования.
В релейных системах регулирующая величина изменяется
между пороговыми значениями (рис. 6).
x
вх
Выкл
Вкл
t
t
Верхний порог
Нижний порог
Рис. 6. Релейное регулирование
x
вых
Регулирующий орган изменяет свое состояние в тот момент,
когда регулируемая величина принимает пороговое значение.
При нижнем пороге происходит включение, при верхнем – выключение подачи Q (например, мощности). В релейных системах регулирование часто сводится к изменению уровней порогов срабатывания. Примерами являются бытовой холодильник
или электрический утюг. Например, для утюга с автоматическим
поддержанием температуры регулируемой величиной является температура (x
), а регулирующей – соотношение времен
вых
включенного и выключенного состояний (величина Q, т. е. по-
даваемая мощность, – величина постоянная). При достижении
нижнего порога температуры регулятор вк лючает подачу мощности. Температура растет. При достижении верхнего порога подача мощности отключается, температура опускается. Температура поддерживается в промежутке между верхним и нижним
порогами. Ее регулирование осуществляется за счет изменения
уровней порогов.
17
Раздел 1. Общие сведения о системах автоматического управления
В импульсных системах входной сигнал представляет собой
ряд импульсов, которые в зависимости от входной величины могут изменяться по частоте. Выходная величина может быть как
импульсной, так и постоянной. Импульсные системы имеют ряд
преимуществ перед аналоговыми и постепенно их вытесняют.
Недостатком импульсных систем является сложность математического аппарата и, в связи с этим, значительно более сложная
теория.
Системы непрерывного и дискретного действия могут быть
выполнены с помощью вычислительной техники (например,
программируемых контроллеров), на основе которой строится
управление.
1.6. Статические и астатические системы
Статические и астатические системы (не путать со статическим и динамическим состояниями системы) отличаются результатом регулирования выходной величины. Для улучшения
понимания приведено два примера: система регулирования механической величины (уровня жидкости в баке) и система регулирования электрической величины (напряжения генератора).
В зависимости от специализации обучения можно рассмотреть
один из примеров.
На рисунке 7 показан пример статической системы прямого регулирования в виде резервуара, приток Qвх воды в который
определяется клапаном.
Q
вх
Q
вых
Рис. 7. Статическая система регулирования уровня жидкости в баке
Клапан регулируется с помощью поплавка. Чем выше уровень воды в резервуаре, тем меньше расход (приток) воды через
18
1.6. Статические и астатические системы
клапан (вплоть до полного запирания). Вытекает вода из резервуара через трубу, расход которой равен Q
. Чем выше уровень
вых
воды в резервуаре, тем выше давление в зоне выходной трубы и
тем больше Q
. Если Q
вых
= Qвх, уровень h воды не изменяется.
вых
Регулируемая величина – уровень h воды в резервуаре; регулирующая величина – величина перемещения заслонки клапана (ход
которой можно задавать регулировкой) или пропорциональная
ей величина Qвх. На рисунке 8 показана идеализированная зависимость выходной величины (величины h или x
) от входной
вых
(Qвх или xвх) для описанной системы, т. е. статическая характеристика. Точки, расположенные на статической характеристике, соответствуют различным установившимся состояниям. Так,
максимальному значению выходной величины х
воды соот-
вых1
ветствует минимальный приток воды (заслонка почти закрыта),
минимальному значению выходной величины х
максимальный приток воды (х
x
вых
x
вых1
x
вых но м
вх2
).
соответствует
вых2
x
вых2
x
вх1
x
вх ном
x
вх2
x
вх
Рис. 8. Зависимость выходной величины от входной в статической системе
В статических системах существует однозначное соответствие между входной и выходной величинами, т. е. каждой входной величине хвх при постоянной нагрузке соответствует свое
значение выходной величины х
. Точно так же каждому при-
вых
ращению ∆хвх входной величины соответствует свое приращение
∆х
выходной величины. Зависимость между входной и выход-
вых
ной величинами может быть как линейной (у = kх + b,), так и
нелинейной.
При изменении внешних условий (например, повысилось
давление перед впускной трубой) равновесие наступит при других значениях хвх и х
, т. е. в другой точке статической характе-
вых
ристики. Это значит, что система не может поддерживать выход-
19
Раздел 1. Общие сведения о системах автоматического управления
ную величину на постоянном уровне при разных возмущениях!
Поддержание выходной величины осуществляется с ошибкой.
Ошибка определяется относительно номинальных значений, для
которых была спроектирована система. Конечно, можно спроектировать систему так, чтобы ошибка в других состояниях была
по возможности меньше. Но она отсутствует только в одном случае: когда возмущения соответствуют номинальным величинам
(на графике это точка номинальных значений х
вых ном
и х
вх ном
).
Астатическая система независимо от возмущений поддерживает выходну ю величину на постоянном уровне. На рисунке 9 пока зана такая система для поддержания уровн я вод ы в емкости. От
предыдущей она отличается тем, что регулирование отпирания
входного вентиля осуществляется серводвигателем, напряжение
на который пос т упает с пот ен ц иометра со сред ней точкой (т. е. система является системой непрямого действия). Движок потенциометра с помощью рычага связан с поплавком. Изменение уровня
жидкости вызывает перемещение движка вверх или вниз от средней точк и, что создает на двигателе напря жение, вращающее его в
одн у, либо другу ю сторон у (конечно, в схеме необходи м уси литель
малых напряжений, который не показан). Клапан при этом открывается больше или меньше. Чем выше уровень жидкости, тем
меньше открыт клапан. Двигатель не вращается лишь в одном
случае: когда движок находится в среднем положении потенциометра, что бывает только при определенном уровне жидкости.
Система автоматически поддерживает уровень жидкости, создавая равенство расходов впускного и выпускного трубопроводов.
20
Рис. 9. Астатическая система регулирования уровня жидкости в баке
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]