3.1. Дайте характеристику принципам построения современных систем автоматики: структурные схемы, достоинства и недостатки принципов управления, примеры применения на судах Классификация САУ. Принципы автоматического управления

Теория автоматического управления (ТАУ) - это наука о принципах построения и методах расчётов систем автоматического управления (САУ). САУ в самом общем виде имеют следующую обобщенную структурную схему:

Задатчиком (ЗД)задается желаемый закон изменения сигналаx_ж . Все остальные элементы САУ должны работать так, что бы фактический сигналх_ф, который пропорционален выходному сигналуyобъекта управления(ОУ)повторял закон изменения входного сигналаx_жс заданными показателями качества, такими какошибка, время регулированияи т.д.

Чувствительный элемент (ЧЭ)преобразует выходной сигналy объекта управления к видух_ф, в котором представлен сигналx_ж, например, при электрическом сигналех_жсигналх_фтакже электрический.

Элемент сравнения (ЭС) служит для формирования сигнала ошибки регулированияε, равного разности желаемогох_жи фактическогох_фзначений сигналов САУ.

Регулятор (Рег)- ключевой элемент САУ, который выполняет такие преобразования сигнала, при которых обеспечиваются требуемые показатели качества регулирования.

В САУ также обычно используются: усилитель мощности (УМ), исполнительный механизм (ИМ), и регулирующий орган (РО),предназначенные для того, чтобы преобразовывать маломощный сигнал регулятора в мощный сигнал, действующий наОУ.

Классификация САУ

Системы автоматического управления (САУ) достаточно разнообразны, однако они поддаются четкой классификации по следующим признакам:

1. По виду уравнений статики и динамики, описывающих процессы управления: линейные и нелинейные.

2. По закону изменения входного сигнала x:

- системы автоматической стабилизации(x=const);примеры: САР частоты вращения дизеля; система автоматической стабилизации напряжения судовой сети САУ курсом судна в режиме "Автомат";

- системы программного управления(закон измененияxзаранее известен); пример: САР стерилизации консервов в автоклаве;

- следящие системы(xизменяется по произвольному закону); пример: САУ курсом судна в режиме "Следящий".

3. По виду используемого регулятора:

- линейные, нелинейные, импульсные и цифровые САУ.

4. По общему алгоритму функционирования:

- обычные САУ; оптимальные и адаптивные САУ.

Принципы автоматического управления

Основополагающими понятиями САУ являются:

- структурная схема САУ и динамические характеристики звеньев САУ;

- состав и характеристики входных сигналов, которые подразделяются на сигналы управления и сигналы возмущения;

- совокупность показателей качества регулирования выходного сигнала.

Все многообразие САУ может быть сведено к 3-м элементарным схемам управления, называемыми также принципами управления: прямое управление, управление по возмущению, управление по отклонению.

1.2.1. Принцип прямого управления (рис.В.2)

САУ с прямым управлением содержит ОУ(на рис.В.2 под объектом управления понимается совокупностьУМ+ИМ+РО+ОУ+ЧЭиз элементов рис.В.1) и регулятор. НаОУиРегдействуют возмущающие сигналыg₁,…,g₆, изменяющие произвольным образом и которые ведут к непредсказуемым изменениям их выходных сигналовииу. За выходным сигналомyследит человек-оператор, который вручную изменяет сигналxтак, чтобы достичь заданных значений сигналаy. Сигналы возмущенияg₁..g₆ человеком не контролируются.

Данная САУ называется также САУ разомкнутого типа, чем подчеркивается то обстоятельство, что выходной сигналуне используется техническими средствами автоматизацииУМ, ИМ, РО, ОУ, ЧЭ и Регв формировании сигнала заданиях и управления объектом.

Достоинства: Предельная простота регулятора.

Недостатки:1. Обязательное присутствие человека- оператора, который является наиболее ненадежным звеном САУ.

2. Малая точность регулирования, особенно в динамике, когда сигналы х,g₁, ..., g₆ быстро изменяются.

3. Невысокое быстродействие, обусловленное медленной реакцией человека на изменения сигнала у.

Пример: Электропривод якорно-швартового устройства. Оператор с помощью соответствующих органов управления задаёт одну из фиксированных скоростей вращения двигателя. Сигналами возмущенияg₁..g₆ являются: натяжение якорной цепи, напряжение питания электродвигателя, температура обмоток двигателя и др.

1.2.2. Принцип управления по возмущению (рис.В.3)

ВСАУ некоторые из сигналов возмущения, напримерg₁, g₄ иg₆ , которые можно измерить и преобразовать в электрический сигнал (принимаем регулятор электрическим), заводятся на вход регулятора через сумматорСм.Это приводит к такому изменению выходного сигнала регулятораu, при котором компенсируется действие на систему измеренных сигналов возмущения.

Достоинства:1. Наивысшее быстродействие в сравнении быстродействием с другими типов САУ.

2. Выше точность регулирования в сравнении с прямым управлением.

3. Выше надежность регулирования, так как человек не участвует непосредственно в управлении объектом.

Недостатки:1. Сложность выделения всех возмущений, действующих на элементы САУ.

2. Сложность их классификации на основные и второстепенные.

3. Сложность измерения и преобразования сигналов возмущения в электрический сигнал. Например, чрезвычайно сложной на практике является задача измерения механического момента в валах вращающихся механизмов.

Пример:САР напряжения генератора (система токового компаундирования). Регулируемый сигнал – напряжение на выводах генератора. Возмущающий сигнал – ток нагрузки генератора, который измеряется просто трансформатором тока.

1.2.3. Принцип управления по отклонению (рис.В.4)

Вводится цепь отрицательной обратной связи ООСи элемент сравненияЭС, на котором вычитаются заданное значениеxи фактическое значениеyрегулируемого сигнала. ВЭС формируется ошибка регулирования. РегуляторРегвырабатывает такой сигналu, который уменьшает ошибку регулирования.

Достоинства:1. Нет необходимости в выяснении того, какие сигналы возмущения действуют на САУ, и, следовательно, не нужно их измерять.

2. Самая высокая точность регулирования в сравнении с другими схемами САУ.

Недостатки: Меньше в сравнении с управлением по возмущению быстродействие, т.к. регулирующий сигналuначинает изменяться не в момент появления возмущений, а только после измененияy.

Примеры:

1. Авторулевой, удерживающий судно на заданном курсе с требуемой точностью в условиях волнения моря и других возмущающих сигналах.

2 .Электропривод траловой лебедки, обеспечивающий требуемые усилия и скорость выборки трала в условиях переменной нагрузки на ваерах, волнения моря, действия течений.

3. Холодильная автоматика, обеспечивающая поддержание заданной температуры в камерах в условиях изменяющегося притока тепла.

Достоинства схемы управления по отклонению настолько велики, что САУ в подавляющем числе случаев выполняются работающими именно по этой схеме.

На практике применяют также комбинированные САУ, сочетающие регулирование как по возмущению (рис.В.3), так и по отклонению (рис.В.4), которые обладают достоинствами обоих типов САУ.

3.2. Какие прямые и косвенные показатели качества процесса управления определяются по временным и частотным характеристикам и каким образом ? Требования согласно Регистра флота по показателям качества для судовых систем автоматического управления. За счет настройки каких параметров в авторулевых можно изменить показатели качества при изменении загрузки судна ?

Прямые показатели качества подразделяются на показатели качества динамического и установившегося режимов.

Показателями качества динамических режимов определяются из графика переходного процесса и основными из них являются (рис.1.42):

- перерегулирование или заброс σ, равный максимуму отклонения значения переходного процесса относительно установившегося значения процессаh_ycm;

- время первой установки t₁, определяемое моментом первого пересечения графиком переходного процесса установившегося значенияh_ycm;

- время переходного процесса t_ПП, определяемое момент окончательного входа графика переходного процесса в зону допуска, равную±5%от установившегося значения процессаh_ycm.

Для всех названных динамических показателей качества невозможно в общем случае получить формулы для их расчета. Это является существенным препятствием для решения задач анализа и синтеза САУ.

Показателями качества установившихся режимов являются ошибки регулирования, равные абсолютной величине разности между заданным и фактическим значениями сигналов САУ и которые в зависимости от вида входного сигнала САУ подразделяются на статические (ε_СТ) и скоростные ошибки (ε_СК) и ошибки (ε_m) при отработке гармонического входного сигнала.

Для всех названных ошибок регулирования можно в общем случае получить формулы их расчета.

Из структурной схемы замкнутой САУ (рис.1.43) следуют выражения передаточной функции САУ W_ε(p)по ошибке и изображенияε(р)ошибки регулирования:

Расчет ошибки ε_mотработки гармонического входного сигналаx=X_msinωt производится по формуле

где - модуль комплексного числа.

Статическая (ε_СТ) и скоростная (ε_СК) ошибки равны установившимся значениям оригиналаи, или в общем виде, по формуле. Значениевычисляют через изображениеε(р) по доказываемой в теории операционного исчисления формуле предельного перехода,

(1.54)

Выражение передаточной функции разомкнутой САУ в общем случае может быть приведено к виду:

(1.55)

где К– общий коэффициент усиления разомкнутой САУ:

ν- порядок астатизма САУ, причемνявляется целым неотрицательным числом.

Для удобства вычислений по формуле (1.54) подставим в нее выражение W_РАЗ(р)из (1.55) и выполним предельный переход:

(1.56)

Статическая ошибка регулирования ε_СТрассчитывается при постоянном входном сигналеx(t)=X=const, а скоростнаяε_СК- при входном сигналеx=Vt, изменяющемуся во времени с постоянной скоростьюV=const. Далее расчеты статической (ε_СТ) и скоростной (ε_СК) ошибок выполним раздельно.