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
Электрификация производства – направление развития производства, характеризуемое тем, что технологические процессы производства получают необходимую для их осуществления энергию
в виде электричества. При этом имеется в виду не только применение электрической энергии для привода машин и механизмов, но
и для целей нагрева, облучения, осуществления химических реакций. В ряде случаев электрическая энергия осуществляет технологические процессы непосредственно, без превращения ее в другие
виды энергии (электронно-ионная технология). Электрификация
также может быть частичной или комплексной.
Отсюда следует, что и автоматизация – это также направле-
ние развития производства. Его характерная особенность – освобождение не только от утомительной и однообразной работы, но
и от оперативного управления механизмами, выполняющими эту
работу.
При частичной автоматизации автоматизируется лишь часть
операций по управлению технологическим процессом.
При комплексной автоматизации человек не вмешивается
в работу оборудования. В его обязанности входит только наладка
и настройка машины (или группы машин), ее включение и контроль
за работой.
Автоматизация целесообразна на данном этапе развития производства, если она дает экономический эффект. Автоматизация ради
автоматизации никому не нужна. Возможность автоматизации конкретного производственного процесса определяется уровнем научных и инженерных разработок, социальными условиями, уровнем
производства в смежных областях и т.д.
Автоматизация сельскохозяйственного производства опирается на богатый опыт автоматизации промышленности, однако
здесь имеется своя специфика:
– сельскохозяйственное производство имеет дело с биологическими объектами;
– сельскохозяйственные установки рассредоточены, а ремонтная база или не создана, или удалена от объектов автоматизации;
– не всегда обслуживающий персонал имеет достаточный уровень квалификации;
11
– сельскохозяйственные установки тихоходны, имеют малую
мощность и относительно низкую стоимость;
– оборудование имеет низкий коэффициент использования
из-за сезонности технологических процессов;
– условия окружающей среды изменяются в очень широких
пределах.
Такая специфика выдвигает дополнительные и подчас противоречивые требования к средствам автоматики, которые должны сочетать простоту и высокую надежность с низкой стоимостью.
1.1.6. Основные формы автоматизации
К основным формам автоматизации относятся:
1) технологическая сигнализация;
2) дистанционное управление;
3) автоматическая защита;
4) автоматическое управление.
Технологическая сигнализация предназначена для оповещения обслуживающего персонала о предельных или аварийных
значениях каких-либо физических параметров, о месте и характере
нарушений технологического процесса. Сигнализация может быть
световой или звуковой, хотя иногда используется сигнализация, воздействующая на органы обоняния.
Дистанционное управление предназначено для включения,
выключения или изменения режима работы оборудования персоналом, расположенным в другом помещении или на значительном расстоянии от этого оборудования.
Автоматическая защита представляет собой совокупность
технических средств, которые при возникновении ненормальных
и аварийных режимов либо прекращают процесс, либо автоматически устраняют ненормальные режимы. Защита обычно выполняется
с помощью реле и называется в этом случае релейной. Автоматическая защита включает в себя автоблокировку, устройства которой
предназначены для предотвращения неправильных включений и отключений оборудования.
Определение термина «автоматическое управление» мы уже
давали. Здесь важно подчеркнуть то, что автоматическое управление – одна из форм автоматизации, причем высшая форма.
12
1.1.7. Система автоматического управления
Техническое устройство, с помощью которого осуществляется
автоматическое управление объектом, называется автоматическим
управляющим устройством.
Совокупность объекта управления и автоматического управляющего устройства образует систему автоматического управления
(САУ), или автоматическую систему управления (АСУ).
В литературе широко применяются оба термина, причем второй рекомендован ГОСТом. Нам, однако, представляется более правильным первый термин. Дело в том, что наряду с автоматическими
системами управления широкое применение нашли автоматизированные системы управления (АСУ).
Система управления, в которой решения об управляющих
действиях принимаются людьми, а автоматические устройства используются лишь для сбора, обработки, хранения и представления
информации о задачах и результатах управления, а также для сравнительного анализа возможных вариантов решений, называется
автоматизированной.
Таким образом, если стать на точку зрения ГОСТа, то и автоматические системы, и автоматизированные приходится сокращенно
называть одинаково – АСУ. Это приведет к путанице, неоднозначному восприятию понятий.
Поэтому, на наш взгляд, термин «система автоматического
управления» (САУ) более удобен.
САУ, в которой осуществляется простейший закон управления – регулирование, называется системой автоматического регу-
лирования (САР).
1.1.8. Классы автоматических устройств
Все автоматические устройства делятся на два класса.
1. Автоматы – это устройства, выполняющие определенные
одноразовые или многоразовые циклические операции. Автоматы
выполняют поставленную задачу по жесткой программе, не зависящей от какой-либо информации (автомат для размена монет, для продажи жидкостей, газет, билетов, станок-автомат).
2. Автоматические регуляторы – устройства, которые нужным
образом изменяют или поддерживают неизменными какие-либо физические величины в том или ином устройстве или технологическом
13
процессе. Здесь поставленная задача выполняется на основании информации, получаемой в ходе работы (регуляторы температуры, давления, напряжения, автопилот, система самонаведения на цель).
Автоматические регуляторы бывают прямого и непрямого действия. Регулятор прямого действия отличается тем, что изменение
положения регулирующего органа осуществляется за счет энергии
измерительного элемента.
В том случае, когда на изменение положения регулирующего
органа необходимо затратить значительные усилия, выходной сигнал чувствительного элемента передается через усилительный элемент к исполнительному элементу – серводвигателю. Такие регуляторы называются регуляторами непрямого действия.
1.1.9. Задачи теории автоматического управления
Основные задачи теории автоматического управления – анализ
и синтез систем.
Анализ позволяет определить свойства системы управления, ее
характеристики и качество работы, выявить ее устойчивость.
Синтез системы позволяет получить систему с заданными характеристиками, обеспечить заданное качество работы, точность,
запас устойчивости.
Теория позволяет по заданным свойствам построить систему
высокого качества, удовлетворяющую определенным требованиям
и обладающую хорошими характеристиками.
Теория объясняет явления, происходящие в системе, позволяет
выявить характеристики существующей и разрабатываемой систем,
грамотно разработать систему управления, получить от ее эксплуатации максимальный экономический эффект.
Разработка и проектирование САУ состоит из следующих
этапов:
1) изучение управляемого объекта;
2) определение его характеристик, параметров, условий работы
и воздействий, которые он испытывает;
3) формирование требований, предъявляемых к САУ;
4) выбор структурных и функциональных схем;
5) разработка принципиальной схемы.
Ни один из этих этапов не может быть реализован без знания
теории автоматического управления.
14
1.2. Классификация систем
автоматического управления
Классификация систем автоматического управления (САУ)
производится по следующим признакам:
1) по принципу управления;
2) по приспособляемости к условиям работы;
3) по закону изменения выходной величины или по алгоритму
функционирования;
4) по наличию усилителя;
5) по характеру управляемых величин;
6) по виду применяемой для управления энергии;
7) по математическому описанию;
8) по наличию общей (главной) обратной связи;
9) по наличию местных обратных связей;
10) по количеству входных величин;
11) по количеству управляемых факторов;
12) по характеру изменения параметров во времени;
13) по характеру изменения сигнала во времени;
14) по характеру распределения выходных величин в пространстве;
15) по свойствам систем в установившемся режиме;
16) по свойствам систем в переходном режиме;
17) по назначению систем.
1. Классификация САУ по принципу управления
Различают следующие принципы управления:
1) принцип управления по возмущению;
2) принцип управления по отклонению;
3) принцип комбинированного управления.
1) Принцип управления САУ по возмущению
САУ испытывают воздействия двух видов: внутренние и внешние.
Внутренние воздействия являются результатом взаимодействия
элементов системы между собой. Примером такого воздействия является воздействие регулятора на объект (регулирующее воздействие). Оно зависит от величины и знака отклонения регулируемой
величины и представляет собой перемещение регулирующего органа, которое направлено на устранение ошибки регулирования.
15
Внешние воздействия бывают следующих видов:
– нагрузка;
– помеха;
– управляющее воздействие.
При управлении по возмущению изменяют управляемую величину не непосредственно, а в зависимости от изменения возмущений, т.е. причин, вызывающих изменение управляемой величины.
В качестве примера рассмотрим управление генератором переменного тока (рис. 1.1). При этом измеряется нагрузка, т.е. причина,
вызывающая изменение напряжения.
TA1
G E
R
TA2
TA3
B
G – генератор; Е – нагрузка; В – выпрямитель; R – переменный резистор;
ТА1 – ТА 3 – трансформаторы тока
Рис. 1.1. Принципиальная схема системы управления по возмущению
Преимущества такого управления:
1. Система всегда устойчива.
2. Система инвариантна (независима) по отношению к возму-
щению.
Недостатки:
1. Система реагирует только на одно главное возмущение.
2. Необходимо знать математическую зависимость, связываю-
щую управляемую величину с возмущением.
16
2) Принцип управления САУ по отклонению
При управлении САУ по отклонению управляемая величина
(в нашем примере – напряжение) измеряется непосредственно
(рис. 1.2).
G E
TV
B
R
G – генератор; Е – нагрузка; В – выпрямитель; R – переменный резистор;
ТV – трансформатор напряжения
Рис. 1.2. Принципиальная схема системы управления по отклонению
Преимущества такого управления:
1. Управление реализуется независимо от возмущений, кото-
рые не измеряются.
2. Математические зависимости знать не требуется.
3. Простота реализации.
Недостатки:
1. Система может быть неустойчивой.
2. Система неинвариантна – ошибка зависит от возмущения.
3) Принцип комбинированного управления САУ
Комбинированные системы, представляющие собой комбинацию двух предыдущих систем, лишены недостатков и той, и другой
систем.
17
2. Классификация САУ по приспособляемости
к условиям работы
По этому признаку системы делятся на две группы: обыкновен-
ные и самонастраивающиеся.
Особенность самонастраивающихся систем состоит в том, что
они сами изменяют свою настройку в процессе работы. Эти системы
бывают:
– экстремальные, которые сами настраиваются на работу в оптимальном режиме, т.е. обеспечивают максимум или минимум выходной величины;
– самоорганизующиеся, т.е. системы, которые в процессе работы меняют свою структуру при изменении параметров объекта;
– самообучающиеся, т.е. системы, которые изменяют свою
структуру и параметры по мере накопления опыта работы системы.
3. Классификация САУ по закону изменения выходной величины
или по алгоритму функционирования
По алгоритму функционирования системы делятся на четыре
группы:
1) стабилизирующие, в которых управляемая величина поддер-
живается постоянной (рис. 1.3);
2) программные, в которых управляемая величина изменяется
во времени по заданному закону (рис. 1.4);
3) следящие, в которых управляемая величина изменяется по
мере изменения другой переменной величины;
4) преобразующие, в которых управляемая величина определя-
ется в результате каких-то вычислений.
Y Y
0
Рис. 1.3. Переходная характеристика
стабилизирующей системы
t
0
Рис. 1.4. Переходная характеристика
программной системы
18
t
4. Классификация САУ по наличию усилителя
По этому признаку системы делятся на системы прямого действия
(без усилителя) и на системы непрямого действия (с усилителем).
5. Классификация САУ по характеру управляемых величин
По характеру управляемых величин системы делятся на электрические (регулирование тока, напряжения, мощности) и неэлектрические (управление температурой, влажностью, уровнем, концентрацией вещества и т.д.).
6. Классификация САУ по виду применяемой
для управления энергии
По виду применяемой для управления энергии известны системы:
1) механические;
2) пневматические;
3) гидравлические;
4) электрические.
Гидравлические системы преобладают на подвижных объектах
(тракторах, комбайнах), электрические – на неподвижных (в животноводстве).
7. Классификация САУ по их математическому описанию
Математическое описание САУ может относиться как к статическим, так и к динамическим характеристикам.
Статическая характеристика – это зависимость выходной величины от входной (или управляемой от управляющей) в установившемся режиме.
Динамическая характеристика описывает переходный процесс,
выраженный дифференциальным уравнением или зависимостью
выходной величины от времени (переходной характеристикой).
Статические характеристики могут быть линейными, нелинейными, существенно-нелинейными.
Линейными являются системы, у которых каждый структурный элемент имеет линейную зависимость между входной и выходной величинами (рис. 1.5). Если хотя бы один элемент системы
имеет нелинейную характеристику (рис. 1.6), то система является
нелинейной или существенно-нелинейной, т.е. имеет кусочно-
19
линейную характеристику (рис. 1.7), состоящую из отрезков прямой
линии.
Известны нелинейности следующих типов: ограничение
(рис. 1.8), нечувствительность (рис. 1.9), нечувствительность
с ограничением (рис. 1.10), люфт (рис. 1.11), реле двухпозиционные
(рис. 1.12) и трехпозиционные (рис. 1.13), а также те же нелинейности с гистерезисом (рис. 1.14).
Y Y
0 0
Рис. 1.5. Статическая характеристика
линейной системы
Y Y
0
Рис. 1.7. Статическая характеристика
существенно-нелинейной системы
Y
0 0
Рис. 1.9. Нелинейность типа
«нечувствительность»
X X
X
X
Рис. 1.6. Статическая характеристика
нелинейной системы
0
Рис. 1.8. Нелинейность типа
«ограничение»
Y
Рис. 1.10. Нелинейность типа
«нечувствительность с ограничением»
X
X
20