1. Основные понятия и определения теории автоматического управле ния
 Скачать 4.71 Mb.
|
|
1. 4 Общие сведения о промышленных системах регулирования Производственные процессы характеризуются множеством регулируемых величин: температурой, давлением, расходом, концентрацией и т. д., которые называются парамет- рами процесса. Чтобы технологическое оборудование работало в требуемом режиме, то есть с высоким КПД, с заданной производительностью, давало продукцию необходимого качества и работало надежно, необходимо поддерживать величины, характеризующие процесс, в большинстве случаев постоянными. Эта важнейшая задача возложена на про- мышленные системы автоматического регулирования и стабилизации технологических процессов. Системой автоматического регулирования (САР) является такая система, задача которой заключается в поддержании выходной или регулируемой величины объекта y(t) на заданном значении. Управляющее устройство в автоматических системах регулирова- ния называется регулятором или автоматическим регулятором. Промышленные системы регулирования занимают нижний уровень современных иерархических систем управления технологическими процессами. Их главная задача со- стоит в том, чтобы стабилизировать технологические параметры на заданном уровне. Этим занимаются системы автоматической стабилизации. В этих системах сигнал задания (уставка регулятора) остается постоянным в течении длительного времени работы. Дру- гой, не менее важной задачей, является задача программного управления технологическим агрегатом, что обеспечивает переход на новые режимы работы. Решение этой проблемы осуществляется с помощью той же системы автоматической стабилизации, задание кото- рой изменяется от программного задатчика. В современных технологических комплексах имеются сотни и тысячи контуров ре- гулирования, от качества работы которых во многом зависит качество выдаваемой про- дукции. Поэтому для большинства промышленных САР необходима достаточно высокая точность их работы ( 11.5%). При этом главное назначение системы стабилизации - это компенсация внешних возмущающих воздействий, действующих на объект управления. Структурная схема одноконтурной САР промышленным объектом управления приведена на рис. 1.2. Основными элементами ее являются: АР – автоматический регуля- тор, УМ – усилитель мощности, ИМ – исполнительный механизм, РО – регулируемый ор- ган, СОУ – собственно объект управления, Д – датчик, НП – нормирующий преобразова- тель, ЗД – задатчик, ЭС – элемент сравнения. Рисунок 1.2. Структурная схема САР промышленным объектом управления. Обозначение переменных: g- задающий сигнал, e - ошибка регулирования, u p - вы- ходной сигнал регулятора,u - управляющее напряжение, h - перемещение регулирующего органа,Q r - расход вещества или энергии, F - возмущающее воздействие, T - регулируемый параметр (например температура),y ос - сигнал обратной связи (выходное напряжение или ток преобразователя). Характерной особенностью схемы является наличие нормирующего преобразова- теля НП, обеспечивающего работу автоматического регулятора со стандартными значе- ниями тока (0…5 mA) или напряжения (0…10 В). Нормирующий преобразователь выполняет следующие функции: 1) преобразует нестандартный входной сигнал (mB) в стандартный выходной сиг- нал; 2) осуществляет фильтрацию входного сигнала; 3) осуществляет линеаризацию статической характеристики датчика с целью полу- чения линейного диапазона; 4) применительно к термопаре, осуществляет температурную компенсацию холод- ного спая термопары. Для расчетных целей часто исходную схему упрощают до схемы, показанной на рис. 1.3, где АР - регулятор, ОУ - объект управления. Рисунок 1.3. – Расчетная схема САР промышленным объектом управления. Здесь под объектом управления уже понимается неизменяемая часть системы, со- стоящая из преобразователей сигналов, исполнительного механизма, регулирующего ор- гана, собственно объекта управления и датчика. 1.5 Основные принципы управления (регулирования) Объект управления подвержен воздействию различных внешних возмущений, вследствие чего управляемая величина отклоняется от заданного значения. Задачей уст- ройства управления является обеспечение соответствия управляемой величины заданному значению путем передачи на ОУ необходимого управляющего воздействия. Управление по заданному воздействию. Существуют САУ, управляющие только по заданному воздействию g(х), представляющему в этом случае команды программы, тогда управляющее воздействие u(t)=F(g(х). Такое управление называют жестким, так как при этом не учитываются действительные значения управляемой величины у(t), и возму- щающего воздействия f(t) (параметры САУ и значения f(t) считаются постоянными). По- добные САУ дают удовлетворительное качество управления лишь при высокой стабиль- ности параметров САУ и внешней среды и при невысоких требованиях к точности. По структуре эти САУ являются разомкнутыми, так как не имеют обратной связи по управ- ляемому параметру у(t) и не образуют замкнутого контура управления. Управление по возмущению (принцип компенсации, принцип Понселе-Чиколева) (рис. 1.5) основано на принципе компенсации возмущений (разомкнутое управление) и является исторически первым принципом автоматического управления. Управляемый па- раметр не измеряется, а используется информация о внешнем воздействии f(t). При этом сначала выясняют, какое возмущающее воздействие является основным, а затем устанав- ливают, как необходимо менять значение управляемого параметра при изменении данного возмущающего воздействия, для того чтобы значение его поддерживать постоянным, u(t)=F(g(х), f(t)). Достоинство — имеется возможность полной компенсации возмущения. Недостатком подобной системы является то, что она компенсирует влияние одного ос- новного возмущения и не может предотвратить влияние на регулируемую величину дру- гих возмущающих воздействий, чаще всего неконтролируемых. Недостаток — в случае преобладания неконтролируемых возмущений этот способ не дает требуемой точности. По сравнению с системой регулирования по отклонению система регулирования по воз- мущению является разомкнутой системой. Управление по отклонению (рис. 1.5, б). Более высокое качество управления по- зволяет получить замкнутые САУ, в которых используется информация об управляемой величине у(t) и задающем воздействии g(х), u(t)=F(g(х), f(t)). Воздействие выхода системы управления на ее вход называют обратной связью. Введение обратной связи позволяет управлять при изменении параметров объекта управления и недостаточности наших зна- ний о его поведении. Сначала измеряется у(t), затем это значение сравнивается с заданным y 0 и при на- личии разности (t)=y 0 - y(t) (сигнала рассогласования) вырабатывается управляющее воз- действие u(t), направленное в сторону уменьшения сигнала рассогласования. При этом устройство управления стремится компенсировать отклонение независимо от причин, вы- звавших это отклонение. Такое управление можно назвать гибким, так как при этом учи- тывается действительное состояние объекта управления. Информация об у(t) передается в устройство управления, образуя контур главной обратной связи. Данный принцип иногда называют компенсационным принципом Ползунова—Уатта. Он является основным для большинства современных САУ. Недостатки — затруднено управление, возникающее при разработке быстродействующих систем управления, особенно для сложных инерционных объектов. Стремление повысить точность работы такой системы и увеличить коэффици- ент усиления приводит к потере устойчивости. Решение — в комбинированном управ- лении. Комбинированное управление. САУ, в которых используется информация одно- временно о трех воздействиях: g (х), у(t) и f(t), называют комбинированными u(t)=F(g(х), y(t), f(t)). Комбинированные САУ имеют более высокое качество управления, чем систе- мы, работающие только по отклонению, так как информация о значении возмущающего воздействия f (f) позволяет устройству управления работать с предвидением, т. е. начинать компенсацию внешнего возмущения, нарушающего нормальную работу объекта управ- ления, раньше, чем возникнет достаточно большое, отклонение. Одновременно это дает возможность повысить точность и быстродействие системы. Вышеизложенное поясним на примере регулирования температуры среды в тер- мокамере рисунок 1.4. Одно из требований к технологическому процессу — это поддер- жание температуры среды (управляемой величины) в объеме термокамеры в соответствии с технологическими условиями. Рисунок 1.4 – Схема регулирования температуры в термокамере: а — ручной режим; б — автоматический режим Рисунок 1.5 – Схема регулирования температуры по принципу компенсации Рисунок 1.6 – Схема комбинированной системы автоматического регулирования температуры в термокамере 1.6. Классификация систем автоматического управления технологическими процессами. Классификация систем автоматического управления по характеру изменения выходной величины: системы автоматического регулирования (САР); системы программного управления; следящие системы; статические и астатические. Классификацию САУ можно производить с самых разных позиций. Это связано со сложностью структуры САУ, их различной физической сущностью, назначением, областью применения и т.д. I По виду используемой управляющими устройствами информации различают: разомкнутые и замкнутые САУ. В разомкнутых системах отсутствует обратная связь между выходом объекта и входом управляющего устройства. В таких системах управляемая величина не кон- тролируется (т. е. в разомкнутых САУ выходная величина объекта y(t) не измеряется (отсутствует обратная связь)). В замкнутых САУ на вход управляющего устройства подается задающее воздействие G и выходная величина объекта Y. В таких САУ управляющее устройство стремится ликвидировать все отклонения Y от его значения, определяемого заданием G, независимо от причин, вызвавших эти отклонения, включая любые возмущения, внешние и внутренние помехи, а также изменения параметров системы. То есть, при наличии обратной связи объект управления и управляющее устройство образуют замкнутый контур, обеспечивающий автоматический контроль за состоянием объекта управления. II В зависимости от характера задающего воздействия САУ делятся на три вида систем: стабилизации, программного управления и следящие. 1. Автоматической стабилизации, в которых задающее воздействие постоянно; они предназначены для поддержания постоянства некоторого физического параметра (температуры, давления, скорости вращения и т.д.) 2. Программного управления, в которых задающее воздействие изменяется по какому-либо заранее известному закону (например, по определенной программе может осуществляться изменение скорости вращения электропривода, изменение температуры изделия при его термической обработке и т.д.) 3. Следящие, у которых задающее воздействие изменяется по произвольному, заранее неизвестному закону; они используются при дистанционной записи переходных процессов (в результате изменения задающего или возмущающего воздействия в САУ наблюдается процесс, который возникает при переходе от одного установившегося состояния к другому), для согласования каких-нибудь параметров объектов управления при изменении внешних условий и т.д. III Сигналы, действующие в системах автоматического управления, бывают непрерывными и дискретными. Соответственно этому САУ делятся на системы непрерывного и дискретного действия. Непрерывная система состоит только из звеньев непрерывного действия, т.е. звеньев, выходная величина которых изменяется плавно при плавном изменении входной величины. Дискретная система содержит звенья дискретного действия (импульсные, релейные). В свою очередь дискретные САУ делятся на релейные, импульсные и цифровые. Релейные САУ - это системы с квантованием по уровню, импульсные - с квантованием по времени, а цифровые - с применением обоих видов квантования. Рис.1.7 – Импульсная система автоматического управления Остановимся более подробно на импульсных САУ. Импульсная система отличается от непрерывной наличием импульсного элемента (рис. 1.7). Импульсный элемент (ИЭ) представляет собой модулятор импульсов. Он преобразует непрерывно изменяющийся входной сигнал в последовательность модулированных импульсов. Будем рассматривать лишь импульсные системы первого рода, когда высота (амплитуда импульсов) изменяется в соответствии с изменением значения входной величины импульсного элемента в дискретные равноотстоящие моменты времени, т.е. когда импульсный элемент осуществляет амплитудно-импульсную модуляцию (АИМ). IV По характеру преобразования сигнала САУ можно подразделить на линейные и нелинейные. В отличие от линейных САУ нелинейные системы наряду с линейными содержат нелинейные звенья. В общем случае нелинейные САУ описываются нелинейными дифференциальными уравнениями, что значительно усложняет их исследование. Во многих случаях удается упростить задачу анализа нелинейной САУ, применив метод цифрового моделирования. Так, если в системе имеется безынерционное нелинейное звено и оно находится между инерционными линейными звеньями, причем между звеньями имеется развязка, то расчет процесса на выходе безынерционного нелинейного звена следует производить, используя амплитудную характеристику нелинейного звена, которая может быть задана аналитически или графически. Если нелинейное звено инерционное, то производится кусочно-линейная аппроксимация нелинейной характеристики нелинейного элемента. Для каждого линейного участка выходной процесс рассчитывается по рекурсивным уравнениям, а при переходе на следующий участок учитываются ненулевые начальные условия на границе перехода с одного линейного участка на другой. V По характеру зависимости параметров САУ во времени различают стационарные и нестационарные системы. VI По количеству управляемых параметров САУ могут быть одномерными и многомерными. (В зависимости от количества входных и выходных координат САУ делятся на многомерные и одномерные. По количеству входных и выходных величин и их взаимосвязи объекты делятся не одномерные (один вход и один выход) и многомерные. Последние могут быть многосвязными - когда наблюдается взаимное влияние каналов регулирования друг на друга, либо несвязные - взаимосвязь между каналами которых мала.) В многомерных САУ входная и выходная переменные являются векторами. Многомерная система может иметь много входов и выходов, а также возможен случай, когда у системы один вход и один выход, но несколько входных и выходных переменных. Одномерные САУ имеют один вход и один выход. К ним относится большое количество различных систем управления и регулирования, используемых в различных областях техники, в том числе и в технике связи. Теория САУ наиболее полно разработана для одномерных систем автоматического управления, причем основные понятия и общие соотношения, полученные для одномерных САУ, используются в теории многомерных систем. Поэтому рассмотрению многомерных САУ должно предшествовать изучение основных положений теории одномерных систем. С широким внедрением ЭВМ для исследования различных систем появились новые методы анализа систем автоматического управления. Весьма эффективно может быть применен метод цифрового моделирования, основанный на использовании разностных рекурсивных уравнений. Метод цифрового моделирования относится к алгоритмическим методам, так как входные и выходные функции звена (системы) задаются либо представляются алгоритмически. Алгоритмическое задание функции противопоставляется аналитическому, когда все зависимости определены явно соответствующими формулами. Для получения цифровой модели аналогового звена целесообразен переход от непрерывной системы к эквивалентной импульсной системе, а для этого используются математические методы дискретных преобразований (D- преобразование или Z- преобразование). В этом случае удается получить цифровую модель в виде рекурсивного уравнения, связывающего между собой входную переменную общего вида с выходной переменной звена с учетом его структуры и первичных параметров схемы. Указанный метод может быть реализован при наличии соотношений для перехода от обычного преобразования Лапласа (L- преобразования) к Z- преобразованию. VII Большой класс систем автоматического управления составляют адаптивные системы. В последнее время большое значение приобретают САУ, которые называются адаптивными или самоприспосабливающимися. Эти системы характеризуются наличием в них какого-либо абсолютно неизвестного действующего фактора. Они могут приспосабливаться к изменению внешних условий работы, а также улучшать свою работу по мере накопления опыта. Характерным примером адаптивной системы может являться автоматически управляемый снаряд, преследующий цель, а неизвестным фактором - стратегия уклонения цели от встречи. В свою очередь, адаптивные системы делятся на оптимальные, которые обеспечивают автоматическое поддержание в каком-либо объекте наивыгоднейщего эксплуатационного режима; самонастраивающиеся, у которых параметры не остаются неизменными, а преобразуются при изменении внешних условий; самоорганизующиеся, у которых алгоритм работы не остается неизменным, а преобразуется при изменении внешних условий; самообучающиеся, которые анализируют накопленный опыт управления объектом и на основании этого автоматически совершенствуют свою структуру и способ управления. В настоящее время разработка нового поколения САУ идет в направлении создания оптимальных САУ. Оптимальные САУ обладают наилучшими в определенном смысле характеристиками. Для их исследования используется теория оптимизации и оптимального управления. За счет оптимального построения системы обеспечиваются более высокие качественные показатели системы и достигается значительный экономический эффект. В системах автоматического управления наиболее полно реализуются принципы оптимального управления, то есть достижение экстремального значения функции качества за счет изменения управляющих воздействий и параметров САУ. В основу классификации САУ можно положить и другие признаки. Так, например, их можно классифицировать по физической сущности системы или ее основных звеньев, по мощности исполнительного механизма и т.д. |