курсовая работа / Лабораторный комплекс / 3

3. Выбор метода построения. Разработка обобщенной и полной структурной схемы АОЭП

В реальных системах не всегда представляется возможность заранее предусмотреть внешние влияния, поэтому современные системы управления требуют все более новые подходы. Так известна идея использования частотного разделения каналов управления и самонастройки. В них разделение каналов осуществлялось путем включения избирательного фильтра в контур адаптации. Целью самонастройки было обеспечение постоянства произведения коэффициентов усиления пропорционального регулятора и объекта управления. Такой подход не позволяет контролировать изменение других параметров объекта настраивать ПИ и ПИД - регуляторы, а также регуляторы более сложной структуры. В связи с этим в работе Мазурова В.М. предлагается новый принцип построения адаптивных систем использующий частотное разделение каналов управления и самонастройки. В основу этого принципа в отличии от ранее известных подходов положены следующие идеи:

1) Частотное разделение каналов управления и самонастройки осуществляется путем включения точно настроенного цифрового заграждающего фильтра в главный контур системы что позволяет исключить искажающее влияние регулятора на гармоническую составляющую выходного сигнала объекта на частоте пробных колебаний подаваемых на его вход и обеспечить однозначное определение критической частоты объекта;

2) В качестве пробного сигнала выбран гармонический сигнал содержащий одну или несколько периодических составляющих формируемых высокоточным цифровым генератором. Такой сигнал несмотря на ограниченную информационную емкость позволяет оптимально настраивать типовые регуляторы и в то же время обеспечивает высокую помехоустойчивость контура адаптации за счет знания точного значения текущей частоты пробного сигнала;

3) Использование высокочувствительного и помехоустойчивого метода синхронного детектирования для определения параметров критических колебаний позволяет резко уменьшить амплитуду пробного сигнала устойчиво оценивать параметры при наличии шумов и тем самым повысить надежность работы адаптивного регулятора в промышленных условиях;

4) Определение параметров критических колебаний объекта или разомкнутой системы позволяет использовать эффективные и проверенные на практике методы Циглера - Никольса и В.Я.Ротача для расчета настроек ПИД - регуляторов.

Одним из новых направлений построения адаптивных регуляторов является использование в них цифровой модели объекта, параметры которой определяются с помощью блока идентификации. По текущим оценкам этих параметров производится расчет настроек типовых ПИ или ПИД - регуляторов либо расчет коэффициентов регулятора состояния.

Идея построения, основанная на включении режекторного ( заграждающего) фильтра в замкнутый контур системы, настроенного на частоту пробных колебаний, подаваемых в систему с помощью двух цифровых генераторов позволяет проводить расчёт настроек по частоте критических колебаний разомкнутой системы, либо на частоте, близкой к резонансной частоте замкнутой системы. Включение заграждающего фильтра в большинстве случаев позволяет системе сохранить работоспособность, увеличивая, однако, колебательность переходных процессов в ней, при этом тестирующая или пробная гармоника не участвуя в процессах формирования динамики основного контура регулирования может использоваться в контуре самонастройки. Экспериментально установлено, что использование заграждающих фильтров выше второго порядка не рационально, так как пропорционально увеличиваются фазовые сдвиги вносимые этими фильтрами в систему уравнений, это может привести к появлению неустойчивых режимов работы.

При разработке структурной схемы автоматизации технологических процессов необходимо решить следующие задачи:

1. получение первичной информации о состоянии технологического процесса и оборудования;

2. непосредственное воздействие на технологический процесс для управления им;

3. стабилизация технологических параметров процесса;

4. контроль и регистрация параметров процессов и состояние технологического оборудования.

Эти задачи решаются на основании анализа условий работы технологического оборудования, критериев и законов управления объектом, а также требований предъявляемых к точности стабилизации, контролю и регистрации технологических параметров, к качеству регулированию и надежности.

В структуре разрабатываемой САУ можно выделить четыре основных части:

1. ПИ - регулятор ;

2. ЗФ - заграждающий фильтр;

3. ОУ - объект управления;

4. КСН - контур самонастройки.

Обобщенная структурная схема АОЭП представлена на рис.1 .

Обобщенная структурная схема

Рисунок 1

Рассмотрим контур управления системы. В него входят:

• объект управления;

• заграждающий фильтр;

• ПИ - регулятор.

ПИ - регулятор имеет следующую передаточную функцию:

(3.1.)

где d₀,d₁ - коэффициенты: d₀ = -2 / Тi ; d₁ = -1;

Ti - нормированное значение постоянной времени интегрирования: Ti = Tи / Tк;

Tи - реальное значение постоянной времени интегрирования;

К_р - коэффициент усиления .

Структурная схема ПИ - регулятора

Рисунок 3.1

Передаточная функция заграждающего фильтра имеет вид:

(3.2.)

D_f - добротность заграждающего фильтра;

N - нормированный период;

Z - комплексная переменная: .

а, b, с - коэффициенты ЗФ, расчет которых ведется по формулам рассмотренных в следующих пунктах.

Принцип работы заграждающего фильтра

Рисунок 3.2

Добротность фильтра Д_f = (Рис. 3.2), выбирается в диапазоне - 2¸10.

Структурная схема заграждающего фильтра

Рисунок 3.3

Самонастройка системы ведется с помощью контура адаптации. Работа основных блоков контура будет рассмотрено ниже.

Рассмотрим как влияет заграждающий фильтр на ЛАХ объекта(рис.3.4.), в качестве примера возьмём апериодическое звено первого порядка с запаздыванием

, k=1 .

Влияние заграждающего фильтра на ЛАХ объекта

Рисунок 3.4

Из графиков видно, что критическая частота объекта и заграждающего фильтра смещается влево, что приводит к некоторому увеличению колебательности переходных процессов в замкнутой системе с заграждающим фильтром.

Восстановить прежние запасы устойчивости можно, если несколько скорректировать формулы для расчёта параметров ПИ- регулятора. В реальных условиях включение контура адаптации может производиться с различной периодичностью.

1. Для стационарных объектов достаточно произвести однократную настройку системы с последующим выключением, как контура самонастройки, так и заграждающего фильтра из системы. Одновременно выключается генератор.

2. Для квазистационарных объектов необходимо периодически включать контур самонастройки, периодичность включения определяется скоростью дрейфа параметров объекта.

3. Для нестационарных объектов необходима непрерывная работа контура адаптации и расчёт настроек регулятора по скоростным формулам Циглера- Никольса.

Величина добротности Д_f заграждающего фильтра выбирается в диапазоне Д_f = 2¸ 10. Причём чем больше Д_f , тем меньше влияние заграждающего фильтра на динамику системы, но при этом уменьшается скорость затухания пробной составляющей в заграждающем фильтре, что приводит к увеличению времени самонастройки системы. Главным достоинством такого подхода является высокое быстродействие процессов самонастройки. Однако точность (оптимальность) полученных настроек не гарантируется, это связано с тем, что формулы носят эмпирический характер и рассчитаны на объекты с отношением t / Т от 0 до 0.3. С увеличением отношения t/Т точность настроек падает.

Синхронный детектор предназначен для определения текущих значений амплитуды и фазы гармонической составляющей в выходном сигнале объекта .

Фильтр низких частот применяется для сглаживания случайных бросков амплитуды и фазы.

Регулятор Кр изменяет величину коэффициента усиления регулятора таким образом, чтобы обеспечить необходимую длину вектора разомкнутой системы.

Объект управления может быть представлен любым видом передаточных функций.

Высокое качество настройки ПИ- регулятора будет гарантировано, если разомкнутая система имеет заданные запасы по амплитуде и фазе, независимо от динамических свойств объекта управления.

Представим полную структурную схему для АОЭП.

Структурная схема АОЭП

Рисунок 3.5

где

Р- ПИ - регулятор;

Г1,Г2 - цифровые генераторы синусоидальных колебаний. Они являются перенастраиваемыми по частоте(по нормированному периоду колебаний и амплитуде генератора), причем амплитуда колебаний выбирается таким образом, чтобы амплитуда колебаний выхода достаточно четко измерялась синхронным детектором на фоне шумов;

ОУ - объект управления, который может быть представлен любым видом передаточных функций;

ЗФ1,ЗФ2 - с их помощью, включенных по схеме вилки, обеспечиваются избирательные выделения нужной гармоники из сигнала dy и dy2 ;

СД,СД2 - предназначены для определения текущих значений амплитуды и фазы ;

ФНЧ - сглаживает шумы с коллектора тахогенератора ;

ЛБ1,ЛБ2 - логические блоки определяют момент достижения установившихся значений амплитуд и фаз колебаний выходного сигнала.

Кратко опишем общий принцип работы системы :

На вход объекта (рис3.5) подается сумма двух пробных гармонических сигналов U₁+U₂ с частотами w и 2w. В отрицательную обратную связь системы включаются два последовательно соединенных заграждающих фильтра, которые не пропускают соответственно две частоты пробных колебаний на вход регулятора. Блоки синхронного детектирования оценивают значения амплитуд и фаз при двух значениях частотах w₁ и w₂.Необходимость одновременной оценки амплитуд и фаз на двух частотах объясняется задачей повышения быстродействия системы. Блок идентификации осуществляет расчет коэффициента усиления, постоянной времени и запаздывания математической модели объекта, поступающих в блок расчета оптимальных настроек. Блок расчета оптимальных настроек осуществляет расчет оптимальных настроек ПИ-регулятора.