Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория автоматического управления технологическими объектами (линейные системы). Учебное пособие
.pdf
рая переводит объект из начального положения в конечное при
F
1
F
2
минимально возможных энергетических затратах, будет опти-
мальной по расходу энергии на управление.
FE
M
FC
F1: F2= 1:3
Рис. 18. Система слежения
Системы телеуправления. Система, алгоритм функциони-
рования которой содержит предписание изменять управляемую
величину в зависимости от видеосигнала. Управление осуществляется на основе анализа видеоинформации об объекте. Примером такой системы является система управления обработкой изделий движущихся по транспортеру Т (рис. 19).
СУ
ДС
Т
Рис. 19. Система телеуправления
Информация о положении изделия на транспортере с датчика сигнала ДС поступает в систему управления последующей
обработки, которая сравнивает поступившую информацию с хра-
31
нимой в памяти и при совпадении дает команду на проведение
необходимых технологических операций.
По количеству контуров:
- одноконтурные (замкнутая система управления с одним ре-
гулируемым параметром, одной обратной связью (с одним
контуром управления);
- многоконтурные (замкнутая система управления с несколь-
кими контурами управления).
По числу управляемых величин:
- одномерные (системы с одной управляемой величиной);
- многомерные (системы с несколькими управляемыми вели-
чинами).
Многомерные АСУ, в свою очередь, подразделяются на
системы:
- несвязанного управления, в которых регуляторы непосредст-
венно не связаны между собой и могут взаимодействовать
только через общий для них объект управления;
- связанного управления, в которых регуляторы различных параметров одного и того же технологического процесса связаны между собой вне объекта регулирования.
В свою очередь, системы несвязанного управления делятся:
- на зависимые системы, в которых процессы управления параметрами объекта нельзя рассматривать изолированно друг
от друга, поскольку на изменение одной из управляемых величин влияют изменения других;
- независимые системы, в которых процессы управления па-
раметрами объекта можно рассматривать изолированно друг
от друга.
По характеру используемых для управления сигналов.
В зависимости от прохождения и характера сигнала в системе управления они делятся:
- на аналоговые или непрерывные с непрерывным во времени
формированием и прохождением сигналов
32
- дискретные системы, в которых, по крайней мере, между двумя
непрерывными её элементами формирование сигнала производится не непрерывно, а прерывисто.
Системы дискретного управления, в свою очередь, делятся
на импульсные, цифровые, релейные.
Импульсные системы. Системы содержат импульсные эле-
менты, преобразующие непрерывный сигнал в последовательность импульсов. В импульсном элементе происходит модуляция, т. е. в соответствии с входным сигналом изменяется один из
параметров последовательности импульсов на выходе. В зависимости от того, какой параметр импульса изменяется, различают:
- амплитудно-импульсную модуляцию (АИМ);
- широтно-импульсную модуляцию (ШИМ);
- частотно-импульсную модуляцию (ЧИМ);
- фазо-импульсную модуляцию (ФИМ).
При АИМ изменяется амплитуда импульсов Аи, при ШИМ
– ширина (длительность) импульса τи, при ЧИМ – частота следования импульсов f, а при ФИМ – изменяется фаза импульсов, т. е.
временное положение относительно тактовых точек (рис. 20).
Рис. 20. Виды модуляции импульсного сигнала
33
Цифровые системы. Системы управления называется
цифровыми, если они содержат цифровое устройство.
Релейные системы. Релейные системы содержат реле или
элементы, имеющие релейную характеристику, которая принимает два возможных значения: минимальное (разомкнуто) и максимальное (замкнуто).
По характеру математических соотношений, описывающих систему.
В зависимости от того, какие уравнения лежат в основе математической модели, описывающей систему управления, САУ
делятся:
- на линейные, описываемые линейными уравнениями, для
которых справедлив принцип суперпозиции;
- нелинейные, которые описываются нелинейными уравне-
ниями.
Принцип суперпозиции (наложения) заключается в том, что
если на вход объекта управления (рис. 21) подается несколько
входных воздействий хi, то реакция объекта на сумму входных
воздействий равна сумме реакций объекта на каждое воздействие
в отдельности:
L(х1 + х2) = L(х1) + L(х2),
где L - линейная функция (интегрирование, дифференцирование
и т. д.).
Рис. 21. Объект управления с несколькими
входными воздействиями
Практически все системы управления химико-технологическими процессами нелинейные, и получение их точного математического описания представляет значительные трудности.
34
Линейные и нелинейные системы могут быть непрерывными, дискретными и дискретно-непрерывными. Непрерывные системы описываются дифференциальными уравнениями, дискретные описываются дифференциально-разностными, а дискретнонепрерывные – обоими видами уравнений.
По виду используемой энергии.
В зависимости от того, используются или не используются
дополнительные источники энергии для перемещения регулирующего органа, системы автоматического регулирования делятся на системы прямого и косвенного действия.
Системы прямого действия. Регулирующий орган пере-
мещается непосредственно чувствительным элементом. Дополнительный источник энергии в системе управления отсутствует.
Энергия для перемещения РО поступает непосредственно из объекта управления через первичный измерительный преобразователь. Примером такой системы является регулятор уровня воды в
паровом котле, построенный И.И. Ползуновым.
Системы косвенного (непрямого) действия. В таких сис-
темах для перемещения регулирующего органа используют
вспомогательные устройства, работающие от дополнительных
(внешних) источников энергии.
В зависимости от источника дополнительной энергии сис-
темы управления делятся:
- на электрические, использующие энергию постоянного
или переменного тока;
- пневматические, работающие на сжатом воздухе;
- гидравлические, применяющие в качестве рабочей жидкости
минеральное масло, подаваемое в систему масляными насосами или
насосом;
- комбинированные.
По характеру изменения параметров системы:
- стационарные;
- нестационарные.
Если в период эксплуатации параметры системы являются
неизменными, то система считается стационарной, в противном
случае – нестационарной. Кроме того, особо выделяются системы
35
с распределенными параметрами, т. е. такие системы, которые
содержат распределенные в пространстве элементы, например,
длинные электрические линии, трубопроводы и т. д.
По типу ошибки в установившемся режиме.
Под установившейся ошибкой e(t) системы управления понимается разность между заданием x(t) и выходом y(t) в устано-
вившемся режиме системы: e(t) = x(t) – y(t). По виду зависимости
установившейся ошибки от внешнего воздействия системы делятся:
- на статические;
- астатические.
Система, в которой величина установившейся ошибки зависит от величины возмущения при постоянном задании, называется статической по возмущению. Если установившаяся ошибка не
зависит от величины возмущения, то система является астатической 1-го порядка. Если установившаяся ошибка не зависит от
первой производной возмущающего воздействия (скорости), то
система является астатической 2- го порядка. Кроме того, различают системы статические и астатические по задающему воздействию. При этом возмущение считается постоянным и установившаяся ошибка рассматривается в зависимости от величины
задающего воздействия.
По характеру внешних воздействий.
В зависимости от характера внешних воздействий (задающего и возмущающего) различают следующие системы:
- детерминированные;
- стохастические.
В детерминированных САР внешние воздействия являются
определенными функциями времени, например, ступенчатое воздействие, линейное, гармоническое и т. п. В стохастических системах внешние воздействия имеют вид случайных функций.
По способу использования текущей информации.
В зависимости от способа использования текущей инфор-
мации системы управления делятся:
36
- на обычные;
- адаптивные.
В обычных системах управления текущая информация ис-
пользуется только для выработки управляющего воздействия при
неизменном алгоритме управления.
Система управления называется адаптивной, если в ней текущая информация, помимо выработки управляющего воздействия, используется также для изменения алгоритма управления. В
свою очередь, адаптивные системы делятся:
- на экстремальные;
- самонастраивающиеся;
- самоорганизующиеся;
- обучающиеся.
Два последних класса систем, обладающих способностью к
обучению и использованию человеко-машинного интерфейса, в
какой-то мере имитируют поведение человека, и поэтому часто
называются интеллектуальными.
Изменение состояния системы можно производить за счет
контролируемых изменений управляющих воздействий, параметров и структуры системы. В экстремальных системах управления изменяются только управляющие воздействия для поддержания такого режима работы управляемого объекта, при котором
достигается экстремальное (минимальное или максимальное)
значение некоторого критерия, характеризующего качество
функционирования объекта. Автоматическое устройство в этом
случае, вырабатывающее управляющие воздействия на ОУ, называется экстремальным регулятором.
Если структура алгоритма адаптивной системы не изменяется, а изменяются только параметры алгоритма, то система называется самонастраивающейся. Если изменяется структура алгоритма системы, то такая система называется самоорганизую-
щейся.
В обучающихся системах управления изменяются управляющие воздействия, параметры и структура системы, алгоритм
функционирования, а в случае самообучения и целевая функция.
К ним относятся интеллектуальные и экспертные системы управления.
37
Адаптивные системы управления используются, когда с
ОУ
х
помощью обычных систем не удается справиться с поставленной
задачей. Обычно это происходит, когда начальной (априорной)
информации об объекте управления недостаточно или характеристика объекта в процессе функционирования системы изменяется
непредвиденным образом в широких пределах.
Структурная схема адаптивной системы управления включает объект, регулятор и адаптор (рис. 22).
Рис. 22. Структура адаптивной системы управления
ОУ и регулятор Р, вырабатывающий управляющее воздействие на объект, образуют основной контур. Регулятор может
изменять параметры. Адаптор А на основе обработки доступной
ему информации вырабатывает управляющее воздействие, производящее подстройку изменяемых параметров регулятора. Регулятор совместно с адаптором образуют адаптивный регулятор.
Адаптивная система управления имеет иерархическую
структуру: она имеет минимум два уровня. Основной контур образует первый (низший) уровень, а контур, содержащий адаптор
(контуром адаптации) — второй уровень. Возможны три и больше уровней.
Адаптивная система управления называется поисковой, если в ней для изучения объекта формируются специальные (поисковые) сигналы, и беспоисковой, если в системе никаких поисковых сигналов для изучения объекта не формируется. Среди поисковых систем широко распространены экстремальные системы.
Отличительным признаком таких систем является наличие у статических характеристик их объектов управления явно выраженного экстремума. При этом положение экстремума под влиянием
38
различных факторов может меняться. Целью управления в экстремальных системах управления является подержание экстремума на их выходе. И для определения управляющих воздействий, обеспечивающих движение к экстремуму, к управляющему
сигналу добавляется поисковый сигнал.
Робастные системы - системы управления, обладающие
свойством сохранять качество функционирования в допустимых
пределах при изменении их параметров или структуры.
Робастная система управления должна так формировать
закон управления, который сохранял бы выходные переменные
системы и сигналы ошибки в заданных допустимых пределах,
несмотря на наличие неопределённостей в объекте управления.
Рассмотренные разновидности и свойства систем управления являются основными, но не исчерпывают всего многообразия
САУ.
8. Математическое описание элементов
и систем управления
(ПК-19)
Проектируя систему управления, разработчик должен быть
уверен, что в любой ситуации система будет действовать согласно предъявляемым требованиям, не допуская возникновения или
развития аварийных режимов. Поэтому при проектировании и
наладке система управления должна быть подвергнута всестороннему исследованию в различных режимах: нормальной эксплуатации, пуска, останова оборудования, аварийных.
Самый достоверный способ проверки работоспособности
системы управления – экспериментальные исследования на действующем оборудовании. Но это дорого и далеко не всегда возможно, особенно если речь идет об объектах с повышенной опасностью, о многовариантных исследованиях или исследованиях в
аварийных режимах. В связи с этим возникает необходимость
проведения исследований на моделях реальных объектов и систем управления.
Модель – это относительно упрощенный аналог реального
объекта, созданный для изучения некоторых свойств оригинала.
39
8.1. Понятия и способы получения математической модели
Реальный объект бесконечно сложен в своих свойствах и
проявлениях и недоступен для абсолютного познания. Поэтому
при построении моделей сложных явлений принимают во внимание лишь самое главное для цели исследования, отбрасывая множество несущественных деталей. В результате получается упрощенное, а потому и пригодное для практического использования,
представление реальности - модель.
По типу подобия различают физические и математические
модели.
Создаваемая модель может быть основана на физическом
подобии процессов в модели и объекте - оригинале. Например,
аналогом тепловых процессов в прямоточном котле могут служить процессы нагрева воды в одной трубе с наружным электронагревателем. Применение физических моделей для химикотехнологических процессов затруднительно, так как объекты
управления представляют собой в большинстве случаев сложные,
многоагрегатные аппараты с разнообразными химическими и физическими превращениями. Поэтому для отображения явлений в
сложных системах применяют математические модели.
Математическая модель – это система математических соотношений (алгебраических, дифференциальных или интегральных уравнений), отражающих физико-химические законы различных превращений в объекте.
Система уравнений связывает независимые (входные) и зависимые (выходные) величины объекта. Число таких уравнений
должно быть равно числу зависимых величин.
По способу получения математические модели делятся на
расчетно-теоретические (аналитические), эмпирические и полуэмпирические.
В основе аналитических моделей лежат уравнения физикохимических законов (закона сохранения энергии, вещества, импульса и т.д.). Коэффициенты этих уравнений включают в себя
конструктивные и технологические параметры объекта и по этой
причине аналитические модели наиболее полно раскрывают
внутреннюю структуру и сущность процессов в объекте, влияние
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]