Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы управления технологическими процессами. Учебное пособие
.pdf
11
2. По использованию вспомогательной энергии:
t
x
t
x
а) непосредственного действия (без дополнительного ис-
точника энергии);
б) косвенного действия (с дополнительным источником энергии);
В зависимости от вида используемой энергии системы делятся на: электрические, пневматические, механические, гидравлические и пр.
3. По поведению систем во времени:
а) стационарные системы управления, у которых свойства
(параметры математической модели) не зависят от времени;
б) нестационарные, с изменяющимися во времени свойствами.
4. В зависимости от наличия информации.
Информация бывает априорная (начальная) и апостериор-
ная (рабочая), которая получается в ходе процесса.
а) обыкновенные системы. Для них характерно наличие
полной начальной и рабочей информации. Обыкновенные системы управления включают:
- системы стабилизации (при неизменных управляющих
воздействиях, рис. 1.5);
Рис. 1. 5. Зависимость выходного сигнала от времени для системы
стабилизации
- программные системы при изменении управляющих воз-
действий по известной программе) рис. 1.6;
Рис. 1.6. Пример зависимости выходного сигнала от времени для
программной системы
12
- следящие системы. Они испытывают некоторый недос-
х
вы
таток начальной информации. Это системы, у которых изменение входных параметров заранее не известно, но известна
связь между параметрами X
вых
и Xвх.
б) самонастраивающиеся (адаптивные) системы. Для них
характерен недостаток или полное отсутствие начальной информации, но наличие полной рабочей.
Виды адаптивных систем:
- экстремальные;
- системы управления с адаптивной коррекцией (для них
характерен недостаток априорной информации, который восполняется введением корректирующих устройств). Это системы на
пробные сигналы.
- самооптимизирующиеся системы - системы, которые
ищут оптимум в некотором смысле (рис.1.7).
х
вх
Рис. 1. 7. Пример самооптимизирующейся системы
ОУ
УУ
критерий
в) игровые системы, для которых характерна неполная начальная и рабочая информация.
Для игровых систем характерно знание цели, правил и ограничений. Работа игровой системы заключается в анализе сложившейся на данном этапе ситуации и выборе управления, которое обеспечивает некоторый «небольшой» выигрыш. Сумма этих
выигрышей должна привести к достижению поставленной цели.
5. По характеру изменения выходной величины системы
управления бывают непрерывными и дискретными. Дискретные
системы, в свою очередь, подразделяются: на релейные, импульсные и цифровые.
13
Существует несколько принципов управления:
f(t)
1.3ТС14
а) разомкнутое (ручное);
б) по отклонению основного контролируемого параметра Х
вых
в) по возмущению (по отклонению возмущающего воздей-
ствия f);
г) комбинированный (c одновременным учётом отклонений
Х
и f).
вых
Принцип управления по отклонению. Свойства данной системы - замкнутый путь передачи информации о ходе процесса.
Ошибка управления определяется как:
D=хз-хи,
где D - ошибка, хз и хи- заданное и измеренное (фактическое) значение параметра Х
вых
.
В качестве регулирующего воздействия на управляющее устройство (УУ) здесь принято отклонение значения регулируемого параметра от заданного (рис. 1.8). Достоинством систем по отклонению
является достаточная точность при отсутствии знания об изменении
возмущающих факторов. Недостатками: возможность потери устойчивости, так как управляющее воздействие (хвх) такие системы вырабатывают в зависимости от скорости изменения и величины уже возникшей ошибки (рис. 1.9).
f(t) - возмущения
;
х
х
з
Рис. 1.8. Функциональная схема системы управления по отклонению
УУ ОУ
вх
х
вых
ТЕ
Рис. 1.9. Схема регулирования температуры продукта в ёмкости по отклонению
По возмущению (рис. 1.10). Регулирующее воздействие на-
х
f(t)
правлено на устранение влияния отклонения возмущающего воздействия (разомкнутая система передачи информации, рис.
1.11). Т. к. всех возмущающих факторов учесть не удаётся, то отдельно система по возмущению не используется. Обычно она используется вместе с автоматической системой регулирования по
отклонению (рис. 1.8).
з
Рис.1.10 . Принципиальная схема системы управления по возмущению
УУ ОУ
х
вх
х
вых
Пример:
1.3
ТЕ
ТС
Рис. 1.11. Схема регулирования температуры в ёмкости по возмущению
Комбинированные системы содержат контуры и по отклонению и по возмущению.
1.3. Общие сведения о системах управления
Система - совокупность составляющих элементов, их связей между собой, обладающих завершённостью и законченностью и выполняющих некоторую функцию (рис. 1.12).
15
w
w
u
e
z
1
e
з
Зерно
3
2
1
Рис. 1. 12. Автоматическая система регулирования скорости помола
зерна: 1 – жёрнов; 2 – вибролоток; 3 – шестигранник
Объект управления (ОУ) - устройство, в котором протекает
управляемый процесс. Примерами объектов управления могут быть:
сушилка, расфасовочно - упаковочная машина, химический реактор
(т. е. отдельные аппараты), сборник ректификационной колонны (т. е.
часть технологического аппарата), а также группы технологических
аппаратов: выпарная станция и т. п. (рис. 1.13).
Управляющее устройство (УУ) - устройство, которое обеспечивает управление объектом.
Регулятор
Зд
ЭС
ОУ
х
вых
ЭОС
z
РО
Х
к
УС АРУ ИМ
Рис. 1.13. Структурная схема автоматической системы регулирования
(АСР)
16
Первичный преобразователь (ПП) или датчик - устройство
для измерения текущего значения регулируемого параметра и
преобразования его в сигнал, удобный для передачи.
Задатчик (Зд) - устройство, в котором формируется задающее воздействие в виде, удобном для передачи.
Усилитель (УС) - устройство, которое усиливает сигнал
рассогласованияe (рис. 1.13).
Элемент сравнения (ЭС) - устройство, в котором сравнивается текущее значение регулируемой величины х
с заданным
вых
значением хз и, определяется величина рассогласованияe:
e
=х
(t) - хз.
вых
Автоматическое регулирующее устройство (АРУ) - техническое устройство, в котором вырабатывается управляющее воздействие в соответствии с выбранным алгоритмом регулирования.
Исполнительный механизм (ИМ) - устройство, предназначенное для преобразования управляющего воздействия z1 в перемещение регулирующего органа (РО).
Регулирующий орган - устройство для изменения потока
вещества или энергии с целью уменьшения рассогласования
(ошибки).
АСУТП с использованием ЭВМ
e
ЭВМ может выполнять функции сравнения, контроль параметров (заданных и фактических), автоматическую выработку
управляющего воздействия, усиление сигнала по величине (но не
по мощности), запоминание, иногда функции анализа входных
воздействий на объект управления.
Стандартные виды входных воздействий
При сравнении систем автоматического управления рассматриваются входные воздействия не любого типа, а только определённого (стандартного). Рассмотрим стандартные виды
входных воздействий:
17
1. Единичная ступенчатая функция (рис. 1.14).
х
t
1
0
t
txA
t<0, x(t)=0,
t³0, x(t)=1.
Рис. 1.14.Зависимость входного воздействия от времени
Реакция системы на единичную ступенчатую функцию называется переходной функцией системы.
2. Единичная импульсная функция (функция Дирака)
(рис.1.15).
х
D=t
ò
0
t<0, x(t)=0;
0
Рис. 1.15. Зависимость входного воздействия от времени
Реакция системы на единичную импульсную функцию но-
сит название импульсной переходной функции системы.
3. Гармонические функции. Входной сигнал в этом случае
синусоида или косинусоида (рис. 1.16).
t>0, но Dt®0,
x(t)®¥;
dt)t(x
1
x(t)=Asinwt,
гдеw=1/Т-
частота колебаний
0
Т
Рис. 1.16. Зависимость входного воздействия от времени
18
Реакция системы на нестандартный вид входного сигнала
e
z
e
z,
e
e
e
называется переходным процессом системы.
1.4. Основные законы управления системами
Закон управления - математическая зависимость (функциональная связь) между входной и выходной величиной управляющего устройства (УУ) (рис.1.17):
e
= x
(t)- хз, z = f(e),
УУ
z
Рис. 1.17. Управляющее устройство
вых
гдеe - сигнал рассогласования;
z-управляющее воздействие.
1. Двухпозиционный закон регулирования (ПЗ) рис. 1.18.
1
Еслиe³
еслиe<
если
dz
0
Рис. 1.18. Пример временной характеристики идеального двухпозиционного
регулятора
dt
e
e
<e<
1
0=
e
, то z=1;
2
, то z=0;
1
e
.
, то
2
Системы автоматически управляемые по такому закону, называются двухпозиционными АСР (автоматическими системами
регулирования). Такие АСР используются, например, в бытовых
холодильниках, стиральных машинах, электрических утюгах и др.
Достоинствами позиционных регуляторов являются: простота, лёгкая техническая реализуемость, недостатком - низкая
точность и возможность работы только при достаточно медленном изменении сигнала рассогласованияe.
2. Пропорциональный закон (П) управления (рис. 1.19, 1.20)
z=ke (t), (1.1)
где k - коэффициент пропорциональности (усиления);e- сигнал
рассогласования.
19
tt
к
e
z
e
e
x
Рис. 1.19. Примеры временных характеристик
Рис. 1.20. Пример переходного процесса АСР с П-регулятором
(D - статическая ошибка)
П - регулятор позволяет устойчиво управлять работой прак-
тически всех промышленных объектов управления при относительно небольшой скорости измененияe.
Достоинства АСР с пропорциональным регулятором: простота и быстродействие. Недостатки: наличие статической ошибки АСР и возможность длительных колебаний ха.
3. Интегральный закон (И) регулирования (рис. 1.21, 1.22).
z
0 0
Рис. 1.21. Временная характеристика И-регулятора
x
а
зад
0
t
t
t
Рис. 1.22. Пример переходного процесса АСР с И-регулятором
20
И - регулятор перемещает регулирующий орган пропор-
)t(
e
ционально интегралу ошибки:
¥
1
T
ò
0
и
, т. е.
dt
e
=
z
dz 1
=
, (1.2)
e
Tdt
и
где Tu - постоянная времени интегрирования.
Достоинством интегрального закона является высокая точность из-за отсутствия статической ошибки (т. е. регулятор астатический). Недостатками: низкое быстродействие и не пригодность для управления объектами без самовыравнивания.
4. Пропорционально-интегральный ( ПИ) закон регулирования.
ПИ-регулятор перемещает регулирующий орган пропор-
ционально ошибке и интегралу от ошибки. Согласно (1.1) и (1.2)
¥
1
+=
kz
dt
ee
. (1.3)
ò
T
u
0
Достоинства ПИ - закона регулирования (1.3): точность,
быстродействие при ограниченных скоростях изменения ошибки
.
5. Пропорционально-интегрально-дифференциальный ( ПИД)
закон. ПИД - регулятор перемещает регулирующий орган пропорционально ошибке, интегралу от ошибки и скорости изменения ошибки
¥
1
kz
ò
T
и
0
e
d
+e+e=
Tdt
, (1.4)
Д
dt
где TД - время предварения.
ПИД - регулятор учитывает направление (увеличение или
уменьшение) изменения ошибки путём изменения знака производной. Регулятор реагирует на скорость изменения ошибки,
предваряя изменение управляемой величины. Такой регулятор
целесообразно использовать при резких и значительных возмущениях. Главное достоинство ПИД закона (1.4): быстродействие,
высокая точность и возможность управлять системами, в которых
возможны высокие скорости измененияe.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]