Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория автоматического управления электрооборудованием и электротехнологиями в сельском хозяйстве. Учебное пособие.pdf
Министерство сельского хозяйства Российской Федерации
Департамент научно-технологической политики и образования
ФГБОУ ВО Южно-Уральский государственный аграрный университет
Институт агроинженерии
В. А. Афонькина, В. М. Попов, Н. М. Рычкова
Теория автоматического управления
электрооборудованием и электротехнологиями
в сельском хозяйстве
Учебное пособие
Челябинск
2021
УДК 631.171
ББК 40.76
А 946
Афонькина, В. А.
А 946
Теория автоматического управления электрооборудованием
и электротехнологиями в сельском хозяйстве [Текст] : учеб. по-
собие / В. А. Афонькина, В. М. Попов, Н. М. Рычкова. – Челябинск :
ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ, 2021. – 140 с.
ISBN 978-5-88156-881-8
Учебное пособие предназначено для обучающихся вузов сельскохозяйственного профиля по направлениям подготовки 35.03.06, 35.04.06 –
«Агроинженерия», 130302 – «Электроэнергетика и электротехника». Оно
может быть полезно обучающимся других специальностей, а также специалистам, работающим в области электрификации и автоматизации сельскохозяйственного производства.
Основными разделами учебного пособия являются «Теория автоматического управления», «Технические средства автоматики», «Автоматизация
технологических процессов».
За основу данного пособия были взяты лекции Изакова Феликса Яковлевича по теории автоматического управления.
УДК 631.171
ББК 40.76
Рецензенты
А. В. Бастрон – канд. техн. наук, доцент (Красноярский ГАУ)
В. А. Буторин – д-р техн. наук, профессор
(ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ)
Печатается по решению учебно-методического совета
ФГБОУ ВО Южно-Уральского ГАУ
© В. А. Афонькина, В. М. Попов,
Н. М. Рычкова, 2021.
ISBN 978-5-88156-881-8
© ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ, 2021.
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие……………………………………………………………5
1. Общие сведения о системах и элементах автоматики………7
1.1. Основные понятия автоматики………………………………7
1.2. Классификация систем автоматического управления……15
2. Теория и система автоматического регулирования………26
2.1. Дифференциальное уравнение элемента и системы
автоматического управления. Преобразование Лапласа.
Передаточные функции.…………………………………….26
2.2. Типовые и элементарные звенья системы управления…53
2.3. Соединения звеньев…………………………………………65
2.4. Эквивалентные преобразования алгоритмических
структурных схем……………………………………………73
2.5. Частотные характеристики звеньев и систем
автоматического управления……………………………….79
2.6. Устойчивость линейных систем автоматического
регулирования………………………………………………92
2.7. Качество систем автоматического регулирования
и их коррекция.…………………………………………….105
2.8. Корректирующие устройства и регуляторы…………….120
Список литературы………………………………………………….138
3
ПРЕДИСЛОВИЕ
Учебное пособие предназначено для обучающихся по направлениям подготовки 35.03.06, 35.04.06, 13.03.02, в том числе и для
обучающихся, овладевающих профессией инженера-электрика без
отрыва от производства. Мы постарались дать будущим инженерам
знания по теории автоматического управления, необходимые для
того, чтобы успешно осуществлять автоматизацию производственных процессов, а также разрабатывать простейшие схемы и автоматические логические устройства. При условии самостоятельной
систематической работы эти знания позволят грамотно эксплуатировать и ремонтировать системы и средства автоматики.
Книга окажется полезной и специалистам, уже получившим
высшее образование, и успешно работающим на производстве.
В результате освоения материала студент должен:
знать:
• основные принципы и особенности автоматизации технологических процессов в АПК;
• современные взгляды и подходы к автоматизации технологи-
ческих процессов;
• состав, классификацию и принцип действия систем автома-
тического управления;
• порядок анализа и синтеза автоматических систем;
уметь:
• анализировать технологические процессы и формулировать
задачи автоматического управления;
• идентифицировать и классифицировать объекты автоматизации;
• производить математическое описание объектов и систем
автоматического управления;
• составлять и анализировать принципиальные, функциональные и структурные схемы систем автоматического
управления;
• осуществлять грамотный выбор управляющих устройств;
5
владеть:
• методами расчета и выбора технических средств автоматики;
• техникой составления и чтения схем систем автоматического управления;
• навыками работы с учебной и научной литературой по автоматизации технологических процессов в АПК.
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ И ЭЛЕМЕНТАХ АВТОМАТИКИ
1.1. Основные понятия автоматики
1.1.1. Определение
Автоматика – отрасль науки и техники, охватывающая тео-
рию и практику автоматического управления, принципы построения
систем автоматического управления и технические средства, необходимые для реализации этих систем.
Автоматика позволяет существенно повысить эффективность
ведения технологического процесса, сократить количество обслуживающего персонала, увеличить производительность труда, улучшить
качество выпускаемой продукции, обеспечить высокую точность
процесса, увеличить выпуск продукции, а также осуществить технологический процесс в недоступных местах.
Основные разделы автоматики:
– теория автоматического управления;
– технические средства автоматики;
– автоматизация технологических процессов.
В настоящем курсе рассматриваются первые два раздела. Вопросы автоматизации технологических процессов должны рассматриваться в специальных курсах, изучающих электрификацию этих
процессов.
1.1.2. Основные термины
Управление каким-либо объектом – это процесс реализации
воздействий на этот объект с целью обеспечения заданного технологического процесса.
Совокупность предписаний, обеспечивающих правильное течение процесса, называется алгоритмом функционирования. Зна-
чит смысл управления сводится к выполнению алгоритма функционирования.
7
Под воздействием понимается действие внешней среды на известную часть системы или одной части системы на другую.
Место приложения воздействия называется входом системы,
а место измерения результата воздействия ее выходом.
Объектом управления может быть любое устройство, осуществляющее технический процесс и нуждающееся для осуществления алгоритма функционирования в специально организованных
воздействиях извне.
Поясним сказанное на примере. Будем рассматривать такой
объект, как животноводческое помещение.
Для нормального развития животных требуется обеспечить
в помещении определенную температуру, влажность, запыленность,
освещенность, газовый состав, концентрацию ионов и, главное,
питание.
Только определенное сочетание этих факторов обеспечит их
наиболее высокую продуктивность. Но для этого необходимо управление объектом, т.е. определенные воздействия.
Если мы скажем, что в помещении надо поддерживать температуру 14–16 °С, влажность 65–70 %, освещенность 100 лк, количество
аммиака не более 0,02 м3/л, концентрацию ионов 100–200 тыс./м3
и т.д., если мы зададим конкретный рацион для каждого животного
или каждой группы животных, то тем самым мы зададим алгоритм
функционирования нашего объекта.
Для обеспечения этого алгоритма необходимы определенные
воздействия. Эти воздействия могут осуществляться человеком
и заключаются, например, в нажатии определенных кнопок, повороте рукояток и т.д., в зависимости от получаемой информации.
Помещение, в котором содержатся и выращиваются животные,
в результате таких воздействий превращается в объект управления.
Чтобы обеспечить выполнение заданного алгоритма функционирования, необходимы определенные предписания, определяющие
характер воздействий извне. Для данного объекта эти предписания
могут выглядеть следующим образом: при снижении температуры
ниже 14 °С нажатием кнопки управления SB1 включить электрокалорифер, при увеличении температуры выше 16 °С отключить его.
Аналогичные предписания могут быть сделаны и по другим
факторам. Совокупность этих предписаний называют алгоритмом
8
управления. Таким образом, алгоритм функционирования описывает технологический режим (и характер его изменений), а алгоритм
управления предписывает, что надо делать, чтобы такой режим обеспечить.
Управление, осуществляемое без непосредственного участия
человека, называется автоматическим.
Конечно, человек должен включить управляющее устройство,
осуществить его наладку, технические осмотры и, при необходимости, ремонт. Эта сторона человеческой деятельности во внимание не
принимается. Речь идет только о том, что само управление осуществляется без участия человека.
Иногда термин «управление» подменяют термином «регулирование». Это неверно, ибо автоматическое регулирование есть частный случай автоматического управления. Управление осуществляется по какому-то закону. При регулировании выполняется конкретный закон: поддерживается постоянным заданное значение определенной физической величины.
1.1.3. Рекомендуемая литература
Для изучения курса «Автоматика», «АСУ ТП», «АТП» рекомендуется следующая литература:
1. Автоматика : учеб. пособие / Ф. Я. Изаков [и др.]. Челябинск : ЧГАА, 2010. 186 с. Режим доступа : http://nb.sursau.ru:8080/
webdocs/avtom/5.pdf.
2. Методические рекомендации для самостоятельной работы
по дисциплине «Автоматика»: направление подготовки 35.03.06 Агроинженерия. Форма обучения – очная и заочная / сост. В. М. Попов
[и др.]. Челябинск : ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ, 2017. 27 с.
Режим доступа : http://nb.sursau.ru:8080/localdocs/avtom/14.pdf.
5. Решение домашнего задания и контрольных работ по дисциплине «Автоматика» : метод. указ. для направления 35.03.06 Агроинженерия; уровень высшего образования – бакалавриат (заочное
и очное обучение) / сост. С. А. Попова, Н. М. Рычкова. Челябинск :
ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ, 2017. 43 с. Режим доступа : http://
nb.sursau.ru:8080/webdocs/avtom/53.pdf.
6. Практикум по техническим средствам автоматики : метод.
указ. для направления 35.03.06 Агроинженерия; уровень высшего
образования – бакалавриат (заочное и очное обучение) / сост.
9
С. А. Попова, Н. М. Рычкова. Челябинск : ФГБОУ ВО ЮжноУральский ГАУ, 2018. 38 с. Режим доступа : http://nb.sursau.ru:8080/
localdocs/avtom/56.pdf.
7. Фурсенко С. Н., Якубовская Е. С., Волкова Е. С. Автоматизация технологических процессов : учеб. пособие. М. : Новое знание, 2014. 376 с. Режим доступа : http://e.lanbook.com/books/element.
php?pl1_id=64774.
8. Бородин И. Ф., Судник Ю. А. Автоматизация технологических процессов : учебник. М. : КолосС, 2007. 334 с. : ил. (Учебники
и учебные пособия для студентов вузов).
9. Бородин И. Ф. Технические средства автоматики. М. : Колос,
1982. 303 с.
10. Шавров А. В. Автоматика : учеб. пособие. М. : Колос,
1999. 264 с.
11. Бородин И. Ф., Рысс А. А. Автоматизация технологических
процессов. М. : Колос, 1996.
1.1.4. Цель курса
Цель курса – сформировать у обучающихся систему знаний
по вопросам автоматизации различных технологических процессов
и агрегатов, необходимых для последующей подготовки обучающихся к производственно-технологической, проектной деятельности.
Теория автоматического управления необходима для того,
чтобы успешно осуществить автоматизацию производственных
процессов.
1.1.5. Автоматизация производства
Предварительно дадим два определения, которые необходимы
для правильного понимания сути вопроса.
Механизация производства – направление развития производства, характеризуемое применением в производственном процессе машин и механизмов, заменяющих мускульный труд рабочего. Механизация может быть частичной и полной (комплексной).
Частичная, или малая, механизация – механизация части операций,
необходимых для осуществления производственного процесса. Это
могут быть и главные операции, и вспомогательные, например, связанные с транспортировкой. При полной механизации машины выполняют все операции: и главные, и вспомогательные.
10