По наличию внутреннего источника энергии

Теория Автоматического Управления (ТАУ)

Основные термины и определения ТАУ

Основные понятия

Системы управления современными процессами характеризуются большим количеством технологических параметров, число которых может достигать нескольких тысяч. Для поддержания требуемого режима работы, а в конечном итоге – качества выпускаемой продукции, все эти величины необходимо поддерживать постоянными или изменять по определенному закону. Данный процесс называется управлением.

Решение задачи управления такими процессами вручную не всегда представляется возможным вследствие ограниченности возможностей операторов по быстродействию, точности, безошибочности действий. Управление в таких случаях возможно только путем применения автоматических регуляторов и управляющих устройств (т.е. автоматических и автоматизированных систем управления). Под разработкой автоматических систем регулирования понимается, во-первых, выбор соответствующих регуляторов, датчиков и исполнительных устройств, во-вторых, расчет настроек для выбранного оборудования. Теория автоматического управления (ТАУ) представляет собой математический инструмент для решения задачи разработки такой системы.

Перед ТАУ ставятся основные задачи:

1) анализ существующих систем управления на предмет определения качества их функционирования;

2) синтез новых систем управления – разработка методов расчета настроек регуляторов;

3) решение диагностических задач.

Прежде чем знакомиться с методами ТАУ, необходимо определиться с основными понятиями, которые будут использованы в дальнейшем.

Физические величины, определяющие ход технологического процесса, называются параметрами технологического процесса. Например, параметрами технологического процесса могут быть: температура, давление, расход, напряжение 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 рассматриваемый момент времени называется мгновенным значением.

Значение регулируемой величины, полученное в рассматриваемый момент времени на основании данных некоторого измерительного прибора, называется ее измеренным значением.

Пример 1.Схема ручного регулирования температуры сушильного шкафа (рисунок 1.1).

Требуется вручную поддерживать температуру в сушильном шкафу на уровне Т_зад.

Человек-оператор в зависимости от показаний ртутного термометра РТ включает или выключает нагревательный элемент Н с помощью рубильника Р. ¨

Рисунок 1.1

На основе данного примера можно ввести определения:

Объект управления (объект регулирования) – устройство, требуемый режим работы которого должен поддерживаться извне специально организованными управляющими воздействиями.

Управление – формирование управляющих воздействий, 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 к примеру 1 изображена на рисунке 1.2.

Пример 2.Схема автоматического регулирования температуры сушильного шкафа.

В схеме используется ртутный термометр с контактами РТК. При повышении температуры до заданной контакты замыкаются столбиком ртути, катушка релейного элемента РЭ возбуждается и цепь нагревателя Н размыкается контактом РЭ. При понижении температуры контакты термометра размыкаются, реле обесточивается, возобновляя подачу энергии на объект (рисунок 1.3). ¨

Пример 3.Схема АСР температуры с измерительным мостом.

Для измерения температуры в объекте управления (шкафу) используется термометр сопротивления, принцип действия которого заключается в том, что при изменении температуры его электрическое сопротивление также изменяется (при нагреве – увеличивается, при охлаждении – уменьшается), что позволяет по изменению сопротивления судить об изменении температуры.

Основу регулирующей части составляет электронный мост. Электронным мостом называется соединение из нескольких (как правило, четырех, в рассматриваемом ниже примере – из шести) сопротивлений (см. рисунок 1.4), имеющее две диагонали: питающую (диагональ АВ), на которую подается питающее напряжение U_пит, и измерительную (диагональ CD), с которой снимается измеренное напряжение U_изм. Основное свойство моста – способность находиться в одном из двух состояний: уравновешенном (когда U_изм = 0) и неуравновешенном (U_изм ¹ 0).

Уравновешенность моста определяется сопротивлениями R_i и описывается условием

.

На схеме АСР температуры, изображенной на рисунке 1.5, электронный мост обозначен как М и включает термометр сопротивления R_т и переменные сопротивления R и R_зад.

При температуре объекта, равной заданной, измерительный мост М (см. рисунок 1.5) уравновешен, на вход электронного усилителя ЭУ сигнал не поступает и система находится в равновесии. При отклонении температуры изменяется сопротивление терморезистора R_Т и равновесие моста нарушается. На входе ЭУ появляется напряжение, фаза которого зависит от знака отклонения температуры от заданной. Напряжение, усиленное в ЭУ, поступает на двигатель Д, который перемещает движок автотрансформатора АТ в соответствующую сторону. При достижении температуры, равной заданной, мост сбалансируется и двигатель отключится.

Рисунок 1.5

Величина заданного значения температуры устанавливается с помощью резистора R_зад. ¨

Описанные примеры иллюстрируют общую для всех систем управления структуру. 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 1.6

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 (пневматические датчики).

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 рубильника, 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 1.7).

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 1.7

Определения:

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

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

Управляющее устройство (УУ) - устройство, осуществляющее воздействие на объект управления с целью обеспечения требуемого режима работы.

Возмущающее воздействие (f) - воздействие, стремящееся нарушить требуемую функциональную связь между задающим воздействием и регулируемой величиной.

Ошибка управления (е = х - у) - разность между предписанным (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) - 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 1 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 1.9). Принцип действия такой системы рассмотрен выше.

· по возмущению.

Данные системы могут быть использованы в том случае, если есть возможность измерения возмущающего воздействия (см. рисунок 1.10).

На схеме обозначено К - корректирующее звено.

· комбинированные - сочетают в себе особенности предыдущих АСР.

Данный способ (см. рисунок 1.11) достигает высокого качества управления, поскольку здесь идет коррекция управляющего воздействия не только по величине ошибки, но и по возмущающему воздействию, однако применение данного способа регулирования ограничено тем, что возмущающее воздействие f не всегда возможно измерить.