По наличию внутреннего источника энергии

Теория Автоматического Управления (ТАУ)

Лекция 1 Основные термины и определения ТАУ

Основные понятия

Для поддержания качества выпускаемой продукции, все показатели технологического режима величины необходимо поддерживать постоянными или изменять по определенному закону. Данный процесс называется управлением.

В общем случае управление – это динамический процесс перевода системы из текущего состояния в заданное.

Управление процессами вручную не всегда представляется возможным , поскольку в системах управления человек-операторов становится «слабым звеном» по быстродействию, силовым возможностям, информационной избыточности или недостаточности и вообще потому что он - человек.. Автоматическое управление- это управление, осуществляемое без участия человека. Под разработкой автоматических систем регулирования понимается, во-первых, выбор соответствующих регуляторов, датчиков и исполнительных устройств, во-вторых, расчет параметров настроек этого оборудования. Теория автоматического управления (ТАУ) представляет собой математический инструмент для решения задач синтеза таких систем.

1. Определимся с основными понятиями.

Физические величины, определяющие ход технологического процесса, называются параметрами технологического процесса. Например, температура, давление, расход, напряжение, состав и т.д.

Параметр технологического процесса, который необходимо поддерживать постоянным или изменять по определенному закону, называется регулируемой величиной или регулируемым параметром.

Значение регулируемой величины в данный момент времени называется мгновенным значением.

Значение регулируемой величины, полученное в данный момент времени на основании измерений , называется ее измеренным значением.

Объект управления (объект регулирования) – система, требуемый режим выходных параметров которой должен изменяться или поддерживаться управляющими воздействиями.

Управление – формирование управляющих воздействий (чаще всего –энергетических потоков), обеспечивающих требуемый режим работы объекта управления (ОУ).

Регулирование – частный вид управления, когда задачей является обеспечение постоянства какой-либо выходной величины ОУ.

Автоматическое управление – управление, осуществляемое без непосредственного участия человека.

Входное воздействие (Х) – воздействие, подаваемое на вход системы или устройства.

Выходное воздействие (Y) – воздействие, выдаваемое на выходе системы или устройства.

Внешнее воздействие – воздействие внешней среды на систему.

Структурная схема системы регулирования температуры изображена на рисунке 1.2.

Любая система управления (ручного, автоматического или автоматизированного) в обязательном порядке содержит четыре элемента (или четыре множества элементов), объединенных в замкнутый контур передачи воздействий (см. рисунок 1.6):

- объект управления,

- управляющая часть,

- датчик (датчики),

- исполнительное устройство (устройства).

Рисунок 1.2

Датчик (Д) – устройство или комплекс устройств, преобразующих измеряемый параметр технологического процесса в вид, удобный для дальнейшей передачи и использования. Как правило, технологические параметры неудобно или невозможно контролировать (наблюдать, выводить на пульт оператора и т.д.) напрямую без дополнительных технических средств. Например, температуру нельзя наблюдать визуально, контроль температуры тела возможен только в сравнении со степенью нагретости какого-либо другого тела. Чтобы контроль параметров стал возможен, используют разного рода датчики, которые преобразуют измеряемые параметры в показания на шкале прибора (показывающие датчики, например, ртутный термометр), в разность потенциалов (например, термопары) в сопротивление (термометры сопротивления), в давление).

Датчик измеряет технологический параметр, преобразует его в другой вид энергии и передает управляющей части.

Управляющая часть реализует алгоритмы управления. В автоматических системах управления этой частью является регулятор, для систем ручного управления – человек-оператор. В управляющей части генерируются управляющие воздействия на объект управления (например, решения на включение/выключение, изменения напряжения и т.д.). Для реализации управляющих воздействий служат исполнительные устройства (ИУ).

Работа датчиков и исполнительных устройств в отличие от управляющей части заключается лишь в преобразовании энергии, изменения информации в них практически не происходит (если не считать погрешности). Поэтому при анализе и синтезе систем управления чаще эти части СУ опускают, считая их коэффициенты усиления равными «1». Наиболее часто в ТАУ при расчетах пользуются общей схемой одноконтурной АСР (см. рисунок 1.3).

На схеме приняты обозначения: x - задающее воздействие (задание), e = х - у - ошибка регулирования, u - управляющее воздействие, f - возмущающее воздействие (возмущение).

Элемент называется сумматором. Его действие заключается в суммировании поступающих к нему сигналов. Если какой-либо сектор сумматора зачернен, то сигнал, поступающий в данный сектор, берется со знаком «минус». Поэтому в данной схеме ошибка е определяется как разность между х и у.

Рисунок 1.3

Определения:

Выходное значение, параметр – технологические параметры, которые характеризует состояние обекта управления.

Задающее воздействие (то же, что входное воздействие х) - воздействие, определяющее желаемый закон изменения регулируемой величины.

Управляющее воздействие (u) - воздействие управляющего устройства на объект управления.

Управляющее устройство (Р) - устройство, осуществляющее расчёт управляющего воздействия на объект управления с целью обеспечения требуемого режима работы.

Возмущающее воздействие (f) – ненаблюдаемое и неизмеряемое случайное воздействие, которое изменяет состояние объекта управления и приводит к изменению выходных параметров.

Отклонение , рассогласование (е = х - у) - разность между заданным (х) и действительным (у) значениями регулируемой величины.

Регулятор (Р) - комплекс устройств, присоединяемых к регулируемому объекту и обеспечивающих автоматическое поддержание заданного значения его регулируемой величины или автоматическое изменение ее по определенному закону.

Автоматическая система регулирования (АСР) (система автоматического регулирования САР) - автоматическая система с замкнутой цепью воздействия, в котором управление (u) вырабатывается в результате сравнения истинного значения у с заданным значением х.

Дополнительная связь в структурной схеме АСР, направленная от выхода к входу рассматриваемого участка цепи воздействий, называется обратной связью (ОС).

Обратная связь может быть отрицательной или положительной.

Принцип функционирования одноконтурной АСР: регулятор производит постоянное сравнение текущего значения регулируемой величины у с заданным значением х, определяя ошибку е = х – у. Если текущее значение равно заданному, то регулятор не изменяет управляющее воздействие (АСР работает в установившемся режиме), в противном случае управляющее воздействие на объект u изменяется в соответствии с величиной ошибки. Чем больше ошибка регулирования (и дольше она наблюдается), тем больше изменение управляющего воздействия.

Данная схема справедлива как для автоматического, так и для ручного управления. При ручном регулировании человек-оператор, наблюдая за показаниями датчиков, мысленно сравнивает их с заданными значениями, т.е. определяет величину ошибки регулирования и, исходя из этого, решает, какие действия предпринимать.

Классификация АСР

1 По назначению (по характеру изменения задания):

· стабилизирующая АСР - система, алгоритм функционирования которой содержит предписание поддерживать регулируемую величину на постоянном значении (x = const);

· программная АСР - система, алгоритм функционирования которой содержит предписание изменять регулируемую величину в соответствии с заранее заданной функцией (x изменяется программно, например, как функция времени);

· следящая АСР - система, алгоритм функционирования которой содержит предписание изменять регулируемую величину в зависимости от заранее неизвестной величины на входе АСР (x изменяется произвольно).

2 По количеству контуров:

· одноконтурные - содержащие один контур регулирования (одну обратную связь по регулируемому параметру),

· многоконтурные - содержащие несколько контуров регулирования (несколько обратных связей, например, по нескольким параметрам, по скорости/ускорению изменения параметра и т.д.).

3 По числу регулируемых величин:

· одномерные - системы с одной регулируемой величиной,

· многомерные - системы с несколькими регулируемыми величинами.

Многомерные АСР в свою очередь подразделяются на системы:

а) несвязанного регулирования, в которых регуляторы непосредственно не связаны и могут взаимодействовать только через общий для них объект управления;

б) связанного регулирования, в которых регуляторы различных параметров одного и того же технологического процесса связаны между собой вне объекта регулирования.

4 По функциональному назначению:

АСР температуры, давления, расхода, уровня, напряжения и т.д.

5 По характеру используемых для управления сигналов:

· непрерывные,

· дискретные (релейные, импульсные, цифровые).

6 По характеру математических соотношений:

· линейные, для которых справедлив принцип суперпозиции;

· нелинейные.

Примечание - Если на вход объекта подается несколько входных воздействий, то реакция объекта на сумму входных воздействий равна сумме реакций объекта на каждое воздействие в отдельности:

L(х₁ + х₂) = L(х₁) + L(х₂),

где L - линейная функция (интегрирование, дифференцирование и т.д.).

Данный принцип называется принципом суперпозиции (наложения).

7 По виду используемой для регулирования энергии:

· пневматические,

· гидравлические,

· электрические,

· механические и др.

По наличию внутреннего источника энергии

· системы прямого действия,

· системы с вспомогательным источником энергии.

9 По принципу регулирования:

· по отклонению:

Подавляющее большинство систем построено по принципу обратной связи - регулирования по отклонению (см. рисунок 1.5). Принцип действия такой системы рассмотрен выше.

· по возмущению.

Данные системы могут быть использованы в том случае, если есть возможность измерения возмущающего воздействия (см. рисунок 1.6).

На схеме обозначено К - корректирующее звено.

· комбинированные - сочетают в себе особенности предыдущих АСР.

Данный способ (см. рисунок 1.7) достигает высокого качества управления, поскольку идет коррекция управляющего воздействия не только по величине ошибки, но и по возмущающему воздействию