Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория автоматического управления технологическими объектами (линейные системы). Учебное пособие
.pdf
Принцип работы этих двух регуляторов оказался одним и
тем же: они поддерживают заданное значение физического параметра не точно, а в некотором заданном диапазоне, поэтому такой принцип регулирования, широко применяемый в настоящее
время, называется принципом “Ползунова – Уатта”.
К первым промышленным регуляторам можно отнести
также и первое программное устройство управления ткацким
станком от перфокарты, построенное в 1808 году французским
изобретателем Жаккаром. Оно применялось для воспроизведения
узоров на коврах путем управления перемещением нитей.
Паровая машина не случайно стала первым объектом для
применения техники и теории управления, т.к. она не обладала
способностью работать сама по себе, не имела «самовыравнивания». Ее неблагоприятные динамические свойства часто приводили к тому, что подключенный к ней регулятор действовал не
совсем так, как ожидал конструктор - «раскачивал» машину или
вообще оказывался неспособным управлять ею. Все это, естественно, побуждало к проведению теоретических исследований.
Три фундаментальные работы внесли коренное изменение
в подходе к проблеме и в методологии исследований и содержали, по существу, изложение начал новой науки об управлении.
Это работы Дж. Максвелла “О регуляторах” (1866) и И. А. Вышнеградского “Об общей теории регуляторов” (1876) и “О регуляторах прямого действия” (1877). Максвелл и Вышнеградский
впервые рассмотрели паровую машину и регулятор как единую
динамическую систему, что позволило разработать методику исследования самых разнообразных по принципам действия и конструкции систем, заложить основы теории устойчивости и установить ряд важных общих закономерностей регулирования (по
принципу обратной связи).
В 189 2 году А. М. Ляпунов опубликовал работу “Общая задача устойчивости движения”, в которой доказал возможность
решения вопросов устойчивости регулирования техническими
устройствами.
11
Большой вклад в дальнейшее развитие теории автоматических систем управления внесли работы О. Хевисайда, Х. Боде,
Х. Хазе, Х. Найквиста, русских ученых К. Э. Циолковского, Н. И.
Жуковского, И. Н. Вознесенского, А. Н. Колмогорова, А. В. Михайлова, В. Н. Петрова, Л. С. Понтрягина, А. А. Фельдбаума,
В. В. Солодовникова, А. А. Маркова и многими другими. Эти работы открыли путь потоку технических изобретений принципов
регулирования и регуляторов.
В настоящее время теория автоматического управления
(ТАУ) представляет собой массивную общенаучную дисциплину
с рядом прикладных разделов, позволяющих анализировать, выявлять свойства и давать рекомендации по проектированию систем автоматического управления (САУ).
2. Предмет, задачи и цель дисциплины
«Теория автоматического управления»
(ОПК-4)
Предметом изучения ТАУ являются процессы, протекающие в автоматической системе управления различными технологическими объектами.
При решении задач по управлению объектом управления
возникает ряд проблем. Основными из этих проблем являются:
нарушение устойчивости, неудовлетворительное качество переходных процессов, низкая статическая и динамической точность,
возникновение автоколебаний т. д.
Задачи общей теории автоматического управления и заклю-
чаются в решении перечисленных проблем. Для поиска практических решений при проектировании систем автоматического
управления используются специальные теоретические методы:
1) анализа устойчивости;
2) оценки качественных показателей;
3) повышения точности;
4) коррекции динамических свойств;
5) синтеза.
12
Разработка методов решения прикладных инженерных задач, стоящих при проектировании САУ, - есть глобальная цель
теории систем автоматического управления.
3. Базовые понятия и определения
(ОПК-4)
Технологический процесс (ТП) – это совокупность техноло-
гических операций, проводимых над исходным сырьем в одном
или нескольких аппаратах, целью которых является получение
продукта, обладающего заданными свойствами.
Физические величины, определяющие ход технологического процесса, называются параметрами технологического процес-
са. Например, параметрами ТП могут быть: температура, давле-
ние, расход, напряжение и т. д.
Значение параметра ТП, полученное в определенный момент времени на основании данных некоторого измерительного
прибора, называется измеренным значением.
Параметр технологического процесса, который необходимо
поддерживать постоянным или изменять по определенному закону, называется регулируемым параметром или регулируемой ве-
личиной.
Управление - это процесс формирования и реализации
управляющих воздействий, направленных на достижение некоторой цели.
Основу любой системы автоматического управления составляет объект управления.
Объект управления (объект регулирования, ОУ) – это аппарат, система аппаратов, машина или другое устройство в котором
одна или несколько химико-технологических величин, характеризующих его состояние, поддерживается на заданном уровне
или изменяется по определенному закону специально организованными управляющими воздействиями извне.
Примерами ОУ являются реактор, ректификационная колонна, теплообменник, емкость, трубопровод, насос и т. д.
13
Цель процесса управления заключается в том, чтобы объект
управления в условиях реальной эксплуатации обеспечивал выполнение требуемых функций (рис. 2).
Рис. 2. Процесс управления
Цель управления формируется вне системы управления и является выходным сигналом. Для одного и того же ОУ цель управления может формулироваться по-разному и изменяться во времени.
Например, для аппарата смешения целью может быть как время
процесса смешения, так и качество конечного продукта смешения.
Состояние объекта управления определяется одним или несколькими рабочими параметрами, называемые выходными параметрами (выходом) объекта - y(t). Чаще всего выходные параметры представляют собой физические величины: температура,
давление, напряжение электрического тока, линейные и угловые
перемещения и т.д.
Величины, характеризующие внешнее влияние на объект,
называются воздействиями или входными сигналами (входами).
Воздействия на объект, вырабатываемые управляющим
устройством, называют управляющими воздействиями - u(t). Для
возможности реализации этих управляющих воздействий всякий
объект снабжается специально предусмотренными для этой цели
управляющими органами.
Внешнее воздействие, определяющее требуемый закон изменения управляемой величины, называется задающим воздей-
ствием (заданием) - x(t).
Воздействия на объект, не зависящие от системы управления, называются возмущающими воздействиями (возмущениями)
- f(t). Они могут быть внешними (температура окружающей среды, помехи, наводимые электромагнитными полями, нагрузка на
выходе и др.) и внутренними (активность катализатора).
14
Эти воздействия вызывают изменение внутреннего со-
Объект
f(t)
=(
f1, f2 …fk)
u(t)
=(
u1, u2 …ud)
z(t)
=(
z1, z2 …zs)
стояния объекта и, как следствие, - рабочих параметров. В связи с этим для выполнения рабочих функций y(t)=(y1, y2 …ym) по
заданным алгоритмам x(t)=(x1, x2 …xn) необходимо так организовать подачу управляющих воздействий u(t)=(u1, u2 …ud) на
объект управления, чтобы обеспечить компенсацию возмущающих возмущений f(t)=(f1, f2 …fk) и обеспечить равенство
y(t)= x(t) (рис. 3).
)
n
…x
2
, x
1
управления
x(t)=(x
Рис. 3. Воздействия на объект управления
)
m
…y
2
, y
1
y(t)=(y
Переменные, характеризующие состояние объекта управле-
ния, называются переменными состояния z(t)=(z1, z2 …zs). Если
объект управления характеризуется только одной управляемой
величиной y(t), то он называется одномерным (рис. 4, а). Если па-
раметров объекта y(t) и x(t) несколько, то он называется много-
мерным (рис. 4, б).
15
Рис. 4. Типы объектов управления:
а - одномерный; б - многомерный;
Совокупность объекта управления и управляющего устрой-
ства (УУ) называется системой управления (СУ):
СУ=ОУ+УУ.
Частный вид управления, когда задачей является обеспече-
ние постоянства какой-либо выходной величины ОУ (y(t)= const),
называется регулированием.
В зависимости от способа управления различают системы
ручного, автоматизированного и автоматического управления.
Система, в которой все операции управления ОУ выполняет человек (оператор), называется системой ручного управления.
Система, в которой часть операций управления ОУ выполняют технические устройства, а часть (наиболее ответственная)
сохраняется за человеком, называется автоматизированной.
Система, в которой все операции управления ОУ выполняют технические устройства без непосредственного участия человека, называется автоматической (т. е. САУ).
При автоматическом управлении происходит осуществление техническими устройствами управляющего воздействия, выбранного из множества возможных управлений на основании определенной информации и направленного на поддержание или
улучшение функционирования ОУ в соответствии с целью
управления.
В ТАУ рассматриваются только автоматические и автома-
тизированные системы управления.
16
Техническое устройство, обеспечивающее автоматическое
ЭОС
у
УУ
поддержание заданного значения выходной величины объекта
управления y(t) или изменения ее по определенному закону, называется автоматическим регулятором (АР).
4. Структурная схема одноконтурной автоматической
системы регулирования
(ОПК-4)
Структурная схема типовой одноконтурной автоматической
системы регулирования (АСР) показана на рис. 5.
Как правило, все входные и выходные переменные систем
управления являются функциями времен, поэтому в дальнейшем
в обозначениях переменная t опускается.
f
ЭС
х
e
ос
АР
u
АР
u
им
u
ро
РОИМ
ОУ
y
НП
Рис. 5. Структурная схема АСУ
ПП
Принятые обозначения на рис. 5:
ОУ – объект управления;
f – возмущающее воздействие внешней среды на систему;
y – выходной параметр или координата объекта управле-
ния;
ПП – первичный преобразователь (датчик);
НП – нормирующий преобразователь;
ЭОС – элемент обратной связи (датчик и нормирующий
преобразователь) - устройство для измерения текущего значения
выходной величины у и преобразования его в сигнал уос, удобный для передачи;
х – задающее воздействие (задание);
17
ЭС – элемент сравнения;
АР – автоматический регулятор;
uАР– управляющее воздействие АР;
ИМ – исполнительный механизм;
uим– управляющее воздействие ИМ на РО;
РО – регулирующий орган;
uро– управляющее воздействие РО на поток вещества или
энергии, влияющих на выход объекта управления у;
УУ – управляющее устройство (автоматический регулятор,
исполнительный механизм и регулирующий орган).
Выходной параметр объекта управления у преобразуется
первичным преобразователем ПП (датчиком) в форму, удобную
для дальнейшей обработки. Например, термометр сопротивления
преобразует изменение температуры на выходе ОУ в изменение
сопротивления, пьезокерамический датчик давления преобразует
давление в э. д. с. и т. д. Сигнал с датчика поступает на НП, который выполняет последующее преобразования измерительного
сигнала в унифицированный вид и дистанционную передачу сигнала по каналу связи. Преобразованный выходной сигнал уоспоступает на элемент сравнения. Элемент сравнения – это устройство, которое сравнивает заданное значение входной величины х
с текущим значением преобразованной выходной величины уос и
определяет ошибку регулирования e = х - у
. Ошибка е поступа-
ос.
ет на вход АР, который в зависимости от ее величины и заложенного алгоритма регулирования вырабатывает управляющее воздействие на исполнительное устройство, состоящее из исполнительного механизма и регулирующего органа. ИМ предназначен
для преобразования командного сигнала uАР, получаемого от регулятора, в изменение положения регулирующего органа (РО).
Регулирующий орган воздействует на материальные или энергетические потоки, определяющие выходную величину y объекта
управления, с целью поддержания её на заданном уровне y = x
или изменения по определенному закону.
На рис. 6 представлен пример схемы АСР температуры су-
шильного шкафа.
18
ЭУ
Д
АТ
R
~ U
Рис. 6. Схема АСР температуры с измерительным мостом
Шкаф
Н
R
T
М
~ U
R
зад
При температуре объекта (сушильного шкафа), равной заданной, измерительный мост М уравновешен, на вход электронного усилителя ЭУ сигнал не поступает, и система находится в
равновесии. При отклонении температуры изменяется сопротивление терморезистора RТ и равновесие моста нарушается. На
входе ЭУ появляется напряжение, фаза которого зависит от знака
отклонения температуры от заданной. Напряжение, усиленное в
ЭУ, поступает на двигатель Д, который перемещает движок автотрансформатора АТ в соответствующую сторону, который регулирует температуру нагревательного элемента Н (тэна). При достижении температуры, равной заданной, мост сбалансируется и
двигатель отключится.
Структурная схема данной АСР сушильного шкафа приведена на рис. 7.
х
(Задание)
R
Рис. 7. Структурная схема АСР сушильного шкафа
М ЭУ Д АТ Н
зад
R
т
у (Температура)
Величина заданного значения температуры устанавливается
с помощью резистора R
Дополнительная связь в структурной
зад.
схеме АСР, направленная от выхода ко входу рассматриваемого
участка цепи - обратная связь.
19
5. Понятие и виды обратной связи
e(t)
g(t)
e(t)
g(t)
e(t)
g(t)
e(t)
g(t)
(ОПК-4)
Системы автоматического управления подразделяются на
разомкнутые (рис. 8, а) и замкнутые (рис. 8, б), т. е. с обратной
связью (ОС). Цель ОС - доставить информацию с выхода на вход
системы с помощью элемента ОС.
Различают отрицательную (ООС) и положительную (ПОС)
обратные связи. При отрицательной ОС информация или сигнал
поступает с выхода на вход со знаком минус, т. е. сигнал выхода
вычитается из задания: е(t)=х(t)-yос(t). При положительной ОС
обратный сигнал yос(t) суммируется со входным сигналом:
е(t)=g(t)+yос(t). ПОС применяется для усиления выходного сигнала.
f
f
x
УУ
u
ОУ
а) б)
Рис. 8. Структурные схемы АСР:
а - разомкнутая; б - замкнутая
x
y
e
y
ос
УУ
u
ЭОС
ОУ
y
Обозначение ООС и ПОС на схемах представлено на рис. 9.
–
y(t)
y(t)
а) б) в)
Рис. 9. Обозначение ОС:
а, б -отрицательная, в - положительная
y(t)
+
y(t)
Элемент сравнения называется еще сумматором. Его
выходной сигнал равен сумме входных сигналов. Зачерненный
нижний сектор элемента сравнения или присутствие у соответствующего сектора знака «-» говорит о том, что данный входной
сигнал берется с противоположным знаком.
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]