Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория автоматического управления технологическими объектами (линейные системы). Учебное пособие
.pdf
Кроме этого различают жесткие и гибкие ОС. В случае же-
dt
ò
сткой ОС сигнал, прошедший через элемент обратной связи yос(t),
пропорционален выходному сигналу y(t) системы:
yос(t)=k·y(t),
где k – коэффициент пропорциональности.
Если k = 1, то такая обратная связь называется единичной
обратной связью и на структурных схемах АСР обозначается в виде прямой линии соединяющей выход системы со входом (рис. 14).
Все другие зависимости носят название гибкой ОС:
n
yос(t)=
В основе построения различных систем управления лежат
общие принципы управления, заключающиеся в формировании
такого закона изменения управляющего воздействия, при котором обеспечивается заданный алгоритм при наличии различных
возмущающих воздействий.
В теории автоматического управления при проектировании
СУ используются три фундаментальных принципа управления:
- разомкнутое управление (принцип программного управ-
ления);
- управление по возмущению (принцип компенсации);
- замкнутое управление (принцип обратной связи или
управление по отклонению).
Еще есть комбинированный принцип, сочетающий в себе
принципы управления по возмущению и отклонению одновременно.
tyd )(
; yос(t)=k*
n
6. Основные принципы управления
(ОПК-4)
)(tdy и т. д.
6.1. Разомкнутое (программное) управление
Если свойства объекта управления и возмущения, действующие на него, остаются постоянными, а к качеству управления
не предъявляются повышенные требования, то можно использо-
21
вать в системе принцип управления по задающему воздействию
хufуОУ
Темпер
а-
без обратной связи, называемый разомкнутым управлением.
Структурная схема такого управления представлена на рис. 10.
При разомкнутом управлении управляющее устройство УУ
вырабатывает сигнал управления u, который поступает на исполнительные элементы объекта управления ОУ. На вход управляющего устройства подается сигнал х, представляющий собой
задание.
Рис. 10. Структурная схема разомкнутого управления
Задание задается человеком (оператором) или специальным
задающим устройством (программатором). Данный принцип отличается простотой технической реализации, низкой стоимостью,
но оказывается малоэффективным при недостаточной информации о характере возмущения.
На рис. 11 приведен пример ручного регулирования температуры сушильного шкафа.
22
Шкаф
ТI
НЭ
SB
УУ
НЭSB
Шкаф
TI
~U
Рис. 11. Функциональная и структурная схемы
ручного регулирования температуры сушильного шкафа
тура
Человек (оператор) в зависимости от показаний термометра
yxufОУУУu*K
И
ТI включает или выключает нагревательный элемент НЭ с помо-
щью выключателя SB.
Принцип разомкнутого управления неприменим при управлении объектом, на который действуют заранее не известные
возмущения, оказывающие существенное влияние на управляемую величину у. Он также неприменим, если ОУ является ней-
тральным или неустойчивым и система управления должна
функционировать достаточно длительное время. Это связано с
тем, что при нейтральном и неустойчивом объекте управления
небольшая систематическая ошибка в управлении приводит к нарастающей ошибке управляемой переменной.
6.2. Принцип управления по возмущению
Способ управления, при котором управляющее воздействие
вырабатывается на основе действующих возмущений, называется
способом управления по возмущению или принципом компенсации.
Принцип компенсации иногда также называют принципом
Понселе, названного в честь французского математика и инженера J.V. Ponselet, предложившего принцип управления паровой
машиной по моменту сопротивления на ее валу, т. е. по возмущению.
Если известны все возмущающие факторы и их характер
воздействия на ОУ, то можно сформировать так управляющее
воздействие, что оно будет компенсировать измеренное возмущение (рис. 12).
Рис.12. Структурная схема управления по возмущению
23
Здесь управляющее устройство УУ вырабатывает сигнал
yxu
f
T
Задатчик
u
*
FCFEИМ
Те
мпер
а-
Темпер
а-
u
управления u* в соответствии с заданием x. Одновременно про-
изводятся измерение (И) возмущений f, действующих на объект
ОУ, и коррекция (К) сигнала управления u в зависимости от f.
Полученный в результате коррекции сигнал управления u поступает на объект управления.
Данный принцип является более эффективным по сравнению с разомкнутым управлением при условии, что имеется техническая возможность измерения возмущающих воздействий.
Указанное условие ограничивает применение данного принципа.
Пример управления по возмущению представлен на рис. 13.
Т
сырье
FE
FС
пар
тура
и
(ОУ)
(сырье)
тура
Рис. 13. Функциональная и структурная схемы
регулирования температуры в теплообменнике по возмущению
Температура сырья на выходе из теплообменника Т определяется подачей греющего пара, количество которого зависит от
расхода сырья (возмущающего фактора), измеряемого датчиком
расхода FE. Информация с датчика расхода поступает на регулятор FC, который выдает управляющее воздействие на исполнительное устройство в зависимости от расхода сырья. При этом
способе управления температура сырья, поступающего в теплообменник, должна быть постоянной.
Качество управления в этой системе значительно выше чем
у системы программного управления, т. к. воздействие возмущения компенсируется, но сама система оказывается дороже из-за
24
затрат на измерение возмущения. Кроме того, к достоинствам
данного принципа можно также отнести:
- полную инвариантность к определенным возмущениям,
когда величина y не зависит от возмущения;
- отсутствие проблемы устойчивости системы, т. к. нет ОС.
Недостатки принципа компенсации:
- большое количество возмущений требует соответствую-
щего количества компенсационных каналов, что усложняет систему и повышает её стоимость, одновременно снижая надежность;
- коррекция параметров управления регулируемого объ-
екта приводит к появлению ошибок в управлении;
- принцип применим только к тем объектам, чьи характе-
ристики однозначно известны и можно учесть все возмущающие
факторы, действующие на ОУ, что в реальных объектах сделать
крайне сложно.
Данный принцип нельзя применять, если возмущение нельзя измерить из-за того, что его существование неизвестно или по
другой причине. Кроме того, принцип компенсации нельзя использовать, если объект управления является нейтральным или
неустойчивым.
Основной недостаток управления по возмущению заключается в том, что данная система является разомкнутой, т. е. текущее значение величины y не учитывается при управлении объектом. Это означает, что характер управляющих воздействий зависит от функционирования объекта лишь в той степени, в какой
учтено влияние возмущения f и управления u на выходную величину y. В большинстве случаев полная информация о таком
влиянии отсутствует, в связи с чем разомкнутая система не может
обеспечить желаемое поведение системы с достаточной точностью.
6.3. Принцип управления по отклонению
Управлением по отклонению называется такой способ
управления, при котором определяется отклонение текущего значения выходной переменной от требуемого значения и на его основе формируется управляющее воздействие.
25
Системы управления, основанные на способе управления по
отклонению, непременно содержат обратную связь – канал связи,
по которому информация об управляемой переменной поступает
на управляющее устройство. Поэтому способ управления по отклонению называют также управлением с обратной связью.
Первыми промышленными регуляторами, построенными по
принципу обратной связи, являются регулятор уровня котла паровой машины Ползунова и регулятор угловой скорости паровой
машины Уатта. Поэтому принцип обратной связи иногда называют принципом Ползунова – Уатта.
Принцип замкнутого управления позволяет решить задачу
управления при любом характере действующих возмущений. Подавляющее большинство технических систем управления построено именно по этому принципу. Он также присущ живым организмам и обществу. Так, например, установлено, что, когда человек берет какой-либо предмет, управление кистью его руки
производится по принципу обратной связи.
Структурная схема принципа управления по отклонению
(ошибке) представлена на рис. 14.
f
х
e
УУ
u
ОУ
у
Рис. 14. Структурная схема управления по отклонению
Сигнал задания х поступает на один из входов элемента
сравнения, на другой вход которого по цепи обратной связи подается измеренное с помощью датчиков фактическое значение
рабочего параметра объекта управления у. На выходе элемента
сравнения формируется сигнал ошибки или отклонения е, кото-
рая является разностью между заданным и фактическим значениями параметров. Управляющее устройство УУ в зависимости
от величины и знака ошибки вырабатывает сигнал управления u.
Таким образом, принцип замкнутого управления учитывает не
только задание, но и фактическое состояние объекта и дейст-
26
вующих возмущений. Алгоритм работы такой системы управле-
yxufT
(ОУ)
e
TC
ИМ
Темпер
а-
u
Темп
е-
y
-
ния заключен в стремлении свести ошибку к нулю.
Данный принцип является наиболее универсальным и позволяет успешно решать задачи управления, несмотря на неопределенность объекта управления и характера возмущений. Пример
использования данного принципа управления по ошибке представлен на рис. 15.
пар
Т
сырье
тура
oc
и
ратура
TE
ТЕ
ТC
Рис. 15. Функциональная и структурная схемы управления
температурой на выходе теплообменника по ошибке
Температура сырья на выходе теплообменника Т измеряется с помощью датчика температуры ТЕ, сигнал с которого поступает на регулятор ТС. Регулятор выполняет сравнение выходной
температуры сырья с заданным значением и формирует управляющее воздействие исполнительному механизму в зависимости
от рассогласования между заданным и фактическим значениями
температур.
Достоинством принципа обратной связи является его универсальность, возможность использования в условиях отсутствия
информации о возмущающих воздействиях. К недостаткам данного принципа управления можно отнести:
- в системах с ОС возникает проблема устойчивости;
- в таких системах принципиально невозможно добиться
абсолютной инвариантности к возмущениям, стремление частич-
27
ной инвариантности приводит к усложнению системы и ухудше-
у
нию устойчивости.
Это связано с тем, что при этом способе управления управляющее воздействие начинает вырабатываться и оказывать влияние на ход процесса управления только после того, как возмущение, начав действовать, вызывает отклонение управляемой величины от требуемого режима. Кроме того, следует отметить, что
система управления с обратной связью может оказаться неустойчивой, хотя объект управления устойчив.
В системах с обратной связью всегда имеет место запаздывание информации о состоянии объекта в силу его инерционности, что ухудшает динамические показатели работы системы, и в
частности, увеличивает склонность системы к колебаниям.
6.4. Комбинированное управление
Принцип комбинированного управления используется в тех
случаях, когда на систему действует много различных возмущений, одно (или несколько) из которых оказывает наибольшее
влияние на работу системы управления и может быть измерено. В
подобных случаях влияние превалирующего возмущения можно
нейтрализовать, используя принцип компенсации, и нейтрализовать влияние остальных возмущений, используя принцип обратной связи.
Комбинированное управление заключено в сочетании двух
принципов управления по отклонению и внешнему возмущению
(рис. 16), т. е. сигнал управления на объект формируется двумя каналами. Первый канал чувствителен к отклонению регулируемой
величины от задания. Второй формирует управляющее воздействие непосредственно из задающего или возмущающего сигнала.
К
х
Рис. 16. Структурная схема комбинированного управления
28
e u
u*
УУ
f
И
ОУ
Данный способ достигает высокого качества управления,
yxu
f
T
u`
TCFEИМ
uиe
TC
y
-
однако его применение тоже имеет ограничение в использовании,
так как возмущающее воздействие f не всегда можно измерить.
Достоинства этого метода:
- наличие отрицательной ОС делает систему менее чувст-
вительной к изменению параметров регулируемого объекта;
- добавление канала, чувствительного к заданию или к
возмущению, не влияет на устойчивость контура ОС.
Примером такого способа управления может считаться сис-
темы регулирования температуры на выходе теплообменника с
коррекцией по расходу сырья (рис. 17).
пар
Т
сырье
FE
FC
TE
TC
Темпера-
тура
oc
TE
(ОУ)
(сырье)
Темпера-
тура
Рис. 17. Функциональная и структурная системы
управления температурой на выходе теплообменника
с коррекцией по расходу сырья
Расход сырья на входе в теплообменник Т является здесь
возмущающим воздействием, влияющим на температуру выхода
из объекта управления. В зависимости от величины расхода сырья, который измеряется расходомером FE, регулятор расхода
FС корректирует управляющее воздействие регулятора температуры ТС и обеспечивает необходимую подачу теплоносителя с
учетом возмущения.
29
7. Классификация систем автоматического управления
(ОПК-4)
Классификация САУ по принципу управления, рассмотренная выше, не является единственной. Существует множество различных признаков, которые можно положить в основу классификации САУ, в зависимости от решения класса задач, поставленных перед ней.
Условно все САУ можно классифицировать по следующим,
наиболее часто используемым признакам.
По алгоритму функционирования (по цели управления,
назначению).
Системы стабилизации или регулирования. Система, под-
держивающая регулируемую величину на постоянном значении
(у(t) = const). В этих системах задающее воздействие x(t)
постоянно. Примером такой системы является система поддержания постоянного расхода среды в трубопроводе, уровня
в емкости и т.д.
Системы программного управления. Система, изменяющая
управляемую величину в соответствии с заранее заданной функцией времени (у(t) изменяется программно). В таких системах задающее воздействие x(t) является заранее известной (детерминированной) функцией времени. Примером такого класса систем
является система освещения помещения по программе, заложенной в таймер.
Системы слежения. Система, изменяющая управляемую
величину у(t) в зависимости от заранее неизвестной величины на
входе x(t) = var. Следящие системы представляют собой замкну-
тые системы, реализующие принцип управления по отклонению.
Примером такой системы является система управления смешением двух расходов (рис. 18 ). В зависимости от изменения расхода
F1первого компонента, расход F2второго компонента должен по-
даваться в таком количестве в смеситель, чтобы выполнялось заданное соотношение расходов F1 : F2 = 1:3.
Системы оптимального управления. Система, изменяющая
управляемую величину так, чтобы обеспечивался минимум или
максимум какого-то критерия качества. Например, система кото-
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]