ВВЕДЕНИЕ

Технический прогресс в сельскохозяйственном производстве

определяет широкое использование средств автоматизации различных

технологических процессов. Системы автоматизированного управления

монтируют, налаживают и эксплуатируют по чертежам и схемам, которые

разрабатываются проектными организациями. Современные системы

управления часто обладают высокой сложностью и изучение их работы

требует ознакомления с десятками листов графических документов.

Основными документами, раскрывающими структуру систем управления,

являются схемы. Учитывая разнообразие технологических процессов, а

также технических средств реализации систем управления, в практике

встречается большое разнообразие схем.

Целью настоящих методических указаний является подготовка

будующих инженеров-механиков к работе с современной технической

документацией систем управления. В пособии рассматриваются:

классификация структур и схем систем управления; приводятся

графические изображения и обозначения элементов различных схем в

соответствии с ГОСТ; излагаются технические приёмы составления и

чтения схем. Каждая тема содержит индивидуальные задания и

контрольные вопросы, ответы на которые позволят студентам глубже

изучить материал.

Приведённые в пособии сведения могут быть использованы

студентами в работе над курсовыми и дипломными проектами.

1. Классификация структур и схем систем управления

Под системой управления ( СУ ) понимают совокупность объекта

управления и управляющего объекта ( регулятора ). СУ состоит из

отдельных конструктивно обособленных частей, блоков, элементов,

имеющих различное содержание и выполняющих определённые функции.

Совокупность этих элементов ( блоков ) и характер связей

( отношений ) между ними образуют структуру СУ.

Различают следующие структуры СУ:

- функциональная, в которой СУ рассматривается как совокупность

функциональных элементов;

- алгоритмическая, в которой СУ рассматривается как совокупность

алгоритмических элементов;

- техническая, в которой СУ представлена техническими элементами;

- конструктивная, в которой СУ представлена конструктивными

элементами.

Введение понятий перечисленных структур по существу отражает

четыре стадии проектирования СУ.

Графическое изображение структуры СУ называют её схемой. В

соответствии с ГОСТ 2.701 - 76 "Схемы. Виды и типы. Общие

требования к выполнению" производится классификация схем СУ.

По видам схемы подразделяют на: электрические - Э;

гидравлические - Г; пневматические - П; кинематические - К;

оптические - Л; вакуумные - В; газовые - Х; автоматизации - А;

комбинированные - С.

По типам схемы делят на: структурные - 1; функциональные - 2;

принципиальные (полные) - 3; соединений (монтажные) - 4;

подключений - 5; общие - 6; расположения - 7; прочие - 8;

объединённые - 0.

Каждой схеме проекта СУ присваивается шифр в соответствии с её

видом и типом. Например, Э3 - схема электрическая принципиальная.

Ввиду ограниченности объёма времени, отведённого на изучение

данной темы, в настоящих методических указаниях рассмотрены лишь

электрические схемы СУ, которые наиболее часто используются в

практике.

2. Структурные схемы систем управления

Структурной называется схема, которая отражает основные

функциональные части СУ, их назначение и взаимосвязи.

Функциональные части на схемах изображают в виде прямоугольников, а

связи между ними линиями со стрелками. Стрелка указывает

направление прохождения сигналов. Точка на схеме отражает место

( узел ) размножения сигналов, круг с секторами является местом

( узлом ) суммирования ( вычитания ) сигналов. Внутри

прямоугольников в зашифрованном виде указывают название

функциональных частей.

Каждый элемент структурной схемы характеризуется входом и

выходом, что отражает преобразование сигналов элементами СУ.

Сигналы указывают на входе, либо выходе элементов над линиями

связи.

В зависимости от того, какие свойства СУ хотят отразить

различают два вида структурных схем: структурные функциональные и

структурные алгоритмические схемы.

2.1 СТРУКТУРНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Структурные функциональные схемы отражают функциональную

структуру СУ. На таких схемах чаще всего выделяют следующие

функциональные элементы, рис.1.

Рис.1. Структурная функциональная схема СУ:

1 - ругулятор; 2 - обобщённый объект управления

ОУ - объект управления, устройство для достижения желаемых

результатов функционирования которого необходимы специально

организованные воздействия ( к ОУ относят теплицы, сушилки и т.п.).

ИЭ - иэмерительный элемент ( измерительный преобразователь,

датчик ), измеряет действительное значение управляемой величины

Y(t), преобразует его в сигнал другого вида энергии удобный для

дальнейшей передачи.

ЗЭ - задающий элемент, формирует задающее воздействие G(t),

определяющее желаемое значение управляемой величины.

СЭ - сравнивающий элемент, вырабатывает сигнал пропорциональный

разности сигналов G(t) - Y(t) = (t), называемый ошибкой

регулирования.

РУ - регулирующее устройство, вырабатывает регулируюшее

воздействие на ОУ в соответствии с определённым законом

регулирования.

УЭ - усилительный элемент, который не изменяя физической природы

сигнала, увеличивает его мощность до требуемых значений.

ИМ - исполнительный механизм, вырабатывает и подаёт на

регулирующий орган ОУ управляющее воздействие U(t).

РО - регулирующий орган, устройство, осуществляющее

непосредственное изменение потока вещества, или энергии в ОУ,

изменяя его состояние в требуемом направлении.

КЭ - корректирующий элемент, вводится для улучшения качества

процесса регулирования.

Совокупность ОУ с РО и ИЭ, которые обычно устанавливают в

( на ) ОУ, образуют обобщенный объект управления, а совокупность

всех остальных элементов образуют автоматический регулятор

( управляющий объект ). Таким образом, автоматическая СУ

представляет собой совокупность регулятора и ОУ, взаимодействующих

между собой, осуществляя передачу сигналов по замкнутому контуру

регулирования. Контур регулирования имеет два канала: канал

управления - от регулятора к объекту и канал главной отрицательной

обратной связи ( ГОС ) - от объекта к регулятору. По каналу ГОС в

регулятор поступает информация ( сигнал ) об отклонении управляемой

величины Y(t), а по каналу управления в объект передаются

управляющие воздействия U(t).

Кроме ГОС с системах могут присутствовать местные обратные связи

как положительные, так и отрицательные. Их вводят для улучшения

качества регулирования.

Каждый элемент схемы и СУ в целом подвергаются действию

различных воздействий. Воздействия делят на внутренние и внешние.

Внутренними называют такие, которые передаются внутри системы от

элемента к элементу по последовательным замкнутым ( или

разомкнутым ) цепям, обеспечивая протекание технологического

процесса с заданными показателями. К таким воздействиям относят:

управляющее воздействие U(t), сигнал ошибки (t), сигнал обратной

связи Y(t) и т.д.

Внешние воздействия - это воздействия на СУ внешней среды или

устройств, не являющихся частью этой системы. К ним относят

возмущающие воздействия внешней среды F(t) на ОУ, вызывающие

нарушение его функционирования, колебания напряжения сети, влияющие

на работу усилителей, задающих устройств и т.п.

Качество функционирования ОУ оценивают по его выходной

координате, которую называют управляемой величиной Y(t).

Необходимое качество достигается своевременной подачей на ОУ

управляющего воздействия U(t), вырабатываемого в регуляторе в

зависимости от текущего состояния объекта управления ( т.е. сигнала

Y(t)) и его желаемого состояния ( т.е. сигнала задающего

воздействия G(t)).

Практическая работа N 1

СОСТАВЛЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Цель работы

Ознакомиться с основными функциональными элементами и принципами

построения СУ. Освоить методику составления и чтения структурных

функциональных схем.

Программа работы

1. Ознакомиться с назначением основных функциональных элементов

СУ.

2. Изучить принципы построения СУ, рис.1. Оценить влияние

различных видов воздействий на работу СУ, назначение обратных

связей.

3. Составить структурные функциональные схемы СУ скорости вала

двигателя внутреннего сгорания в соответствии со схемами, рис.2.

При составлении и чтении схем следует иметь ввиду, что некоторые

элементы контуров регулирования конструктивно и функционально могут

быть объединены. Так исполнительный механизм и регулирующий орган

конструктивно могут представлять единое целое, регулирующее

устройство может объединяться с задающим элементом, суммирующими

элементами, усилителями и т.п. Однако, это не нарушает общего

принципа построения схем СУ. Следует иметь ввиду, что кроме

основного контура автоматического регулирования в системе могут

быть дополнительные контуры, предназначенные для улучшения качества

регулирования.

На рис.2 показаны четыре схемы СУ скорости вала двигателя

внутреннего сгорания. Необходимо составить соответствующие им

структурные функциональные схемы.

Рис.2.

Измерительным элементом служит центробежный маятник, выполненный

в виде двух шаров 1, соединённых посредством рычагов с валом 2 и

его муфтой 3. Вал и шары получают вращение от двигателя. При

увеличении скорости шары расходятся и муфта поднимается, то есть,

центробежный маятник отзывается на изменение скорости вращения вала

двигателя.

В зависимости от способа передачи движения от ИЭ к РО различают

регуляторы прямого и непрямого действия. На рис.2,а показан

регулятор прямого действия, в котором перемещение муфты 3

передаётся посредством рычагов 4 регулирующему органу - заслонке 5,

которая изменяет количество топлива подаваемого в двигатель.

Например, при увеличении скорости вала муфта 3 поднимается, а

заслонка 5 опускается и уменьшает подачу топлива. Недостатком

такого регулирования является зависимость скорости двигателя от

момента сопротивления на его валу.

Рис.2. Схемы автоматического регулирования частоты вращения

двигателя внутреннего сгорания

На рис.2,б показан регулятор непрямого действия, который

применяется в тех случаях, когда усилия маятника недостаточно для

перемещения заслонки. Здесь дополнительно использован

вспомогательный серводвигатель 6, служащий одновременно

исполнительным механизмом и усилителем сигнала. Работой

гидроцилиндра 6 управляет гидрораспределитель 7. По окончании

переходного процесса золотник 7 занимает среднее положение, а

поршень 6 и заслонка 5 новое положение в зависимости от необходимой

подачи топлива. Таким образом, скорость вала двигателя

восстанавливается на прежнем уровне. Недостатком является высокая

продолжительность процесса регулирования.

На рис.2,в показан регулятор непрямого действия с жёсткой

местной обратной связью, соединяющей шток золотника 7 и поршень

гидроцилиндра 6. С помощью этой связи уменьшают колебания поршня

гидроцилиндра и золотника при переходе через среднее положение. По

окончании переходного процесса золотник возвращается в среднее

положение, а поршень занимает новое положение, соответственно и

заслонка тоже. Введение жёсткой обратной связи позволяет сократить

продолжительность переходных процессов, однако, новая

установившаяся скорость двигателя будет отличаться от прежней.

На рис. 2.г показан регулятор непрямого действия с упругой

( гибкой ) обратной связью ( изодромный регулятор ). Такой

регулятор обеспечивает получение после переходного процесса той же

самой скорости вала двигателя. Здесь в обратную связь вводят

дополнительный гидроцилиндр 8 ( демпфер ) с отверстием в поршне,

через которое жидкость перетекает из одной полости цилиндра в

другую при перемещении рычага 4. После окончания регулирования

золотник возвращается в среднее положение, поршень гидроцилиндра 6

занимает новое положение в зависимости от необходимой подачи

топлива, поршень демпфера 8 возвращается в исходное положение под

действием пружины. Таким образом, муфта 3 устанавливается в

исходное положение, то есть скорость вала двигателя

восстанавливается. Благодаря наличию обратной связи

продолжительность переходных процессов невелика.

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные функциональные элементы СУ, их

назначение и выполняемые функции.

2. Приведите классификацию видов воздействий на СУ и их

элементы.

3. Введите понятие контура регулирования и его каналов.

4. Понятие главной и местной обратной связи их назначение.

5. Введите понятие регуляторов прямого и непрямого действия.

6. Введите понятие жёсткой и гибкой обратной связи, их

применение в СУ.

7. Объяснить работу СУ скорости вращения вала двигателя, рис.2.

Указать их преимущества и недостатки.

2.2. СТРУКТУРНЫЕ АЛГОРИТМИЧЕСКИЕ СХЕМЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Структурные алгоритмические схемы СУ, в отличии от структурных

функциональных схем, отражают не функциональную, а алгоритмическую

структуру СУ. Графические изображения элементов схемы и связи между

ними сохраняются такими же, как и на функциональных схемах, однако,

внутреннее содержание элементов имеет чёткое отличие. На

алгоритмических схемах изображаются алгоритмические элементы,

отображающие алгоритмы преобразований поступающих в них сигналов.

По существу алгоритмическая схема содержит математическое описание

динамических свойств элементов составляющих СУ, по которым можно

определить и динамические свойства всей системы в целом. Таким

образом, алгоритмическая структурная схема - это удобная форма

представления СУ в процессе исследования её динамических свойств.

При этом отвлекаются от физической природы регулируемой величины,

от конкретной аппаратуры и отображают лишь математическую модель

процесса управления.

Алгоритмические элементы, изображаемые на схемах, классифицируют

по виду математического уравнения, связывающего их выходную

величину с входной. Соответствующее математическое выражения

записывают внутрь прямоугольника, изображающего алгоритмический

элемент. Наиболее часто математическое выражение записывают

в виде передаточной функции элемента в Лаплассовом изображении

W(p). Соответствующим образом сигналы на входах и выходах элементов

схемы, также, записывают в виде их изображений X(p), Y(p), где

р - независимая комплексная переменная.

В основу классификации алгоритмических элементов положены

элементарные алгоритмы, представляющие собой элементарные

интегральные, либо дифференциальные уравнения, как правило, не выше

второго порядка. В теории регулирования алгоритмические элементы,

соответствующие тому, либо иному виду математического уравнения,

называют типовыми динамическими звеньями. В соответствии с

классификацией на структурных алгоритмических схемах выделяют

следующие типовые динамические звенья, передаточные функции которых

имеют вид:

- усилительное безинерционное звено

W(p) = К ;

- апериодическое звено первого порядка

K

W(p) = ------- ;

T*p + 1

- апериодическое звено второго порядка

K

W(p) = ------------- ;

T *p + T *p + 1

- интегрирующее звено

K

W(p) = --- ;

p

- дифференцирующее звено

W(p) = K*p ;

- звено с запаздыванием

-p*

W(p) = ,

где: К - коэффициент передачи звена; Т , Т - постоянные времени;

- время запаздывания.

При составлении и чтении алгоритмических схем следует иметь

ввиду, что различные по функциональному назначению элементы СУ

могут быть описаны одинаковыми уравнениями и, наоборот, одинаковые

по функциональному назначению элементы могут описываться различными

видами уравнений. В ряде случаев один функциональный элемент может

содержать сразу несколько разнотипных ( или однотипных )

алгоритмических элементов и, наоборот, несколько функциональных

элементов совместно могут выполнять лишь один элементарный алгоритм

и изображаться на схеме в виде одного динамического звена.

Практическое работа N 2

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ АЛГОРИТМИЧЕСКИХ СХЕМ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ

ПЕРЕДАТОЧНЫХ ФУНКЦИЙ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Цель работы

Ознакомиться с назначением, изображением и основными

элементами структурных алгоритмических схем СУ. Освоить методы

преобразования структурных алгоритмических схем при анализе и

синтезе СУ. Ознакомиться с назначением передаточных функций СУ.

Программа работы

1. Ознакомиться с назначением алгоритмических схем и типовыми

динамическими звеньями, входящими в состав СУ.

2. Освоить приёмы преобразования структурных алгоритмических

схем.

3. Ознакомиться с передаточными функциями СУ и их значением для

анализа динамических свойств СУ.

4. По заданию преподавателя произвести преобразование заданной

структурной схемы к типовому виду.

Соединения элементарных звеньев СУ и их преобразования

СУ представляют собой соединение типовых звеньев. Существует

всего три типа соединений, рис.3, с помощью которых строится любая

система с произвольной структурой: последовательное, параллельное и

встречно - параллельное.

Рис.3. Соединение элементарных звеньев:

а - последовательное; б - параллельное;

в - встречно-параллельное

При последовательном соединении звеньев, рис.3,а, выходная

величина каждого предыдущего звена является входной для каждого

последующего.

При параллельном соединении звеньев, рис.3,б, на их входах

действует один и тот же входной сигнал, а выходной равен сумме

выходных сигналов элементов.

Встречно - параллельное соединение звеньев, рис.3.в,

рассматривается относительно двух звеньев и характеризуется тем,

что выходная величина одного звена подаётся обратно на его вход

через другое звено. Такое соединение называют также соединением с

обратной связью. Соответственно, обратная связь может быть

положительной, если сигнал обратной связи складывается с входным

сигналом, или отрицательной, если - вычитается.

Для определения интересующих исследователя передаточных функций

СУ используются правила эквивалентного преобразования схем. Под

эквивалентными понимают такие преобразования, при которых одна

схема заменяется другой при сохранении её динамических свойств. Для

схем соединения звеньев, приведённых на рис.3, эквивалентная замена

нескольких звеньев одним выполняется при помощи следующих

преобразований:

- для последовательного соединения звеньев

W(p) = W (p)*W (p)*...*W (p) ;

- для параллельного соединения звеньев

W(p) = W (p) + W (p) +...+ W (p) ;

- для встречно - параллельного соединения звеньев

W (p)

W(p) = ---------------- ,

1 + W (p)*W (p)

здесь знак минус соответствует положительной обратной связи, а знак

плюс - отрицательной.

Другие, встречающиеся в практике случаи преобразования схем,

представлены на рис.4.

Рис.4. Примеры эквивалентных преобразований структурных

алгоритмических схем: слева - исходные схемы;

справа - преобразованные эквивалентные

В случае переноса воздействия из одной точки СУ в другую

пользуются следующими правилами:

1. Внешнее воздействие Y(p), приложенное к выходу звена W (p),

можно перенести на его вход, поместив между воздействием и входом

звена дополнительное звено с передаточной функцией 1 W (p),

рис.4,а.

2. Внешнее воздействие Y(p), приложенное ко входу звена W (p),

можно перенести на выход звена, поместив между воздействием и

выходом звена дополнительное звено с передаточной функцией W (p),

рис.4,б.

3. Точку разделения сигнала с выхода звена W (p) можно перенести

на его вход, включив последовательно в перенесённую линию связи

дополнительное звено с передаточной функцией W (p), рис.4,в.

4. Точку распределения сигнала со входа звена W (p) можно

перенести на его выход, включив последовательно в перенесённую

линию связи дополнительное звено с передаточной функцией 1 W (p),

рис.4,г.

С помощью рассмотренных правил эквивалентных преобразований

структурных схем можно любую сложную многоконтурную схему СУ свести

к одноконтурной и найти её передаточную функцию.

Определение передаточных функций СУ

Для исследования статических и динамических характеристик СУ их

сложные многоконтурные структурные схемы путём эквивалентных

преобразований сводят к простым одноконтурным. В результате

получают типовую одноконтурную структурную схему, изображённую на

рис.5.

Рис.5. Структурная алгоритмическая схема типовой

одноконтурной системы управления:

W (p) - передаточная функция объекта управления;

W (p) - передаточная функция управляющего объекта (регулятора);

W (p) - передаточная функция цепи ГОС; У(р) - выходная коорди-

ната объекта регулирования; G(P) - задающее воздействие;

F(p) - внешнее возмущающее воздействие; (р) - сигнал ошибки

регулирования; U(p) - сигнал управляющего воздействия;

У (р) - сигнал ГОС

Для анализа динамических свойств СУ наибольшее значение имеют

следующие передаточные функции, которым соответствуют структурные

схемы, изображённые на рис.6:

1. Передаточная функция разомкнутой СУ по каналу управляющего

воздействия, рис.6,а. Её получают, предполагая, что воздействие

сигнала F(p) на систему отсутствует, т.е. F(p) = 0, тогда

Y (P)

W (p) = ------ = W (p)*W (p)*W (p).

G(p)

Передаточная функция разомкнутой СУ в теории регулирования

используется для исследования многих динамических характеристик СУ

( например, для оценки её устойчивости ).

2. Передаточная функция замкнутой СУ по каналу управляющего

воздействия, рис.6,б. Её получают при условии, что действие на

СУ сигнала F(p) = 0, тогда

Y(p) W (p)*W (p) W (p)*W (p)

W (p) = ---- = --------------------- = ------------- .

G(p) 1 + W (p)*W (p)*W (p) 1 + W (p)

Знак плюс в передаточной функции учитывает то, что ГОС системы

всегда отрицательная, т.е. в элементе сравнения сигналы Y (p) и

G(p) вычитаются.

Полученная передаточная фукция позволяет исследовать динамику

поведения замкнутой СУ при изменении сигнала задания G(p).

Например, оценить устойчивость и быстродействие СУ, колебательность

переходного процесса и т.п.