ответы на вопросы. тау. Экзаменационные вопросы по предмету тау
 Скачать 317.1 Kb.
|
|
Ответы на экзаменационные вопросы по предмету ТАУ Классификация систем автоматического управления по разным признакам. Привести примеры Системы автоматического управления классифицируются с использованием разных признаков, поэтому классификация этих систем разнообразна и отображает большое разнообразие систем автоматического управления. Рассмотрим основные классификационные признаки для систем автоматического управления.  Рисунок 1 - Укрупненная классификация САУ по классам дифференциальных уравнений По классам дифференциальных уравнений, которыми они описываются, различают САУ, приведенные на рисунке 1. Линейными называют системы, которые могут быть отражены линейными операторными уравнениями (например, линейными дифференциальными уравнениями или системами этих уравнений); в противном случае система входит в класс нелинейных. Линейные и нелинейные дискретные системы характеризуются соответственно линейными и нелинейными разностными уравнениями или их системами. Линейные и нелинейные стационарные системы выражают дифференциальные уравнения или системы уравнений с постоянными коэффициентами. Линейные и нелинейные нестационарные системы описываются дифференциальными уравнениями или системами уравнений с переменными коэффициентами. Сосредоточенные системы, или системы с сосредоточенными параметрами, определяются обыкновенными дифференциальными уравнениями. Распределенные системы, или системы с распределенными параметрами, описываются дифференциальными уравнениями в частных производных. По принципу действия различают САУ: по отклонению — принцип И. И. Ползунова (первая система управления уровнем воды в баке паровой машины была создана им в 1765 г.); по возмущению — принцип Ж. Понселе (первая система управления по нагрузке на валу паровой машины была предложена им в 1830 г.); комбинированные — объединяют принципы И. И. Ползунова и Ж. Понселе. Структурная схема САУ по отклонению (рис. 2, а) аналогична схеме типовой промышленной САУ. Решая конкретную задачу управления работой паровой машины, И. И. Ползунов и не предполагал, что его схемное решение будет использоваться через 200 лет в 80...90 % промышленных САУ.  Рисунок 2 - Структурные схемы САУ: а — по отклонению; б — по возмущению; в — комбинированной Достоинством САУ по отклонению является то, что она компенсирует влияние любого возмущающего воздействия, которое вызвало отклонение значения ее выходного сигнала (±Дхвых), изменением через цепь отрицательной ОС значения входного сигнала (±Дхвх) с помощью сигнала р, поступающего с регулятора. Недостаток САУ по отклонению состоит в том, что отклонение выходного сигнала (например, вследствие нарушения технологического режима) должно сначала появиться и только после этого регулятор должен не только компенсировать возмущающее воздействие, но и свести к нулю отклонение от заданного значения регулируемого параметра хвь|Х. При использовании высокочувствительного датчика это отклонение может быть минимальным, но в принципе оно будет иметь место. Структурная схема системы автоматического управления по возмущениюпредставлена на рисунке 2, б. Иногда возмущающее воздействие (например, изменение температуры наружного воздуха) можно измерить, т.е. если X единственное возмущающее воздействие на объект (например, сигнал поверхностного теплообменника, установленного на открытой площадке), его измеряют и подают на регулятор для сравнения с заданным значением и выработки управляющего сигнала р, влияющего на значение входного сигнала. При таком принципе управления изменение возмущающего воздействия компенсируется регулятором до того, как оно нарушит технологический режим работы объекта, что является главным достоинством этого типа САУ. Однако существенный недостаток таких систем — неспособность компенсировать влияние на объект других возмущающих воздействий, которых в современных сложных установках бывает несколько и которые иногда невозможно измерить. Поэтому в промышленности САУ по возмущению используются редко. Программные САУ используются для управления периодическими процессами (металлообработкой, термообработкой изделий и др.). При этом способ задания программы может быть самый различный: от применения механического вращающегося кулачка до программы, записанной в микропроцессор. В следящих САУ выходной сигнал задатчика заранее неизвестен, т.е. он может быть случайной величиной:  Такая ситуация возникает, когда следящая система является вторичной и отслеживает параметр, значение которого заранее неизвестно, например при необходимости подачи воздуха в определенном соотношении с расходом газа в топку котла. В этом случае расход газа меняется случайным образом под влиянием возмущающих воздействий, но система управления расходом воздуха должна выдерживать определенное их соотношение, т.е. следить за изменением расхода газа, который является для нее заданием. Двухпозиционные САУ надежны, дешевы, но точность регулирования параметра в них мала. Реже применяются трехпозиционные САУ, в которых выходной сигнал регулятора может принимать три значения: -1; 0; +1, или больше — норма — меньше. Качество работы трехпозиционных САУ выше, но надежность ниже. В аналоговых САУ выходной сигнал регулятора непрерывно изменяется во времени, иногда по сложному закону в определенном диапазоне. В Государственной системе приборов (ГСП) эти диапазоны стандартизированы. Диапазон выходных сигналов пневматических регуляторов составляет 0,02... 0,1 М Па. Электрические регуляторы имеют несколько стандартных диапазонов: 0...5, 0...20, 4...20 мА; 0... 10 В и др. В дальнейшем рассматриваются методика исследования и математический аппарат, используемый при разработке САУ непрерывного действия, действующие по принципу И. И. Ползунова, так как таких систем в промышленности большинство. Способы построения САУ. Принцип Понселе, примеры. Принцип Ползунова-Уатта, примеры. По принципу формирования управляющего воздействия, поступающего на управляющий орган объекта управления, все САУ делятся на системы: 1. Управление по разомкнутому циклу 2. Управление по замкнутому циклу 3. САУ с комбинированным управлением. САУ разомкнутого типа способны удовлетворительно функционировать только при постоянстве характеристик объекта управления и в условиях низкого уровня помех, вызываемых влиянием окружающей среды. САУ замкнутого типа работают по принципу отрицательной обратной связи. В них реализуется измерение и контроль отклонения управляемой переменной Y от задающего воздействия X. Цель управления в таких системах состоит в устранении ошибки управления. Общий алгоритм функционирования системы управления: 1. Определение (измерение) текущего состояния объекта управления; 2. Сравнение текущего и желаемого состояния объекта управления; 3. Определение требуемого воздействия (управления) и реализация воздействия на объект управления; 4. Обеспечение качества процесса устранения возникшего отклонения. Разомкнутая система управления по возмущению (принцип компенсации возмущения Понселе).  Так как причина отклонения У – возмущение f, то мы измеряем его с помощью датчика Df и в зависимости от величины возмущения формируем такое управляющее воздействие на ОУ, чтобы скомпенсировать влияние возмущения. Характерный признак – наличие двух каналов прохождения сигнала возмущения. Достоинства: высокое быстродействие. Недостатки: Для полной и точной компенсации необходимо иметь точную модель объекта по каналу возмущения и управления. Это дорого и с течением времени мат. модель все равно устаревает и становится неточной. Возмущений может быть несколько. Всех измерить сложно и дорого. В результате неточности компенсации основного возмущения и влияния неучтенных возмущений выходная величина будет отклоняться от заданного значения, но УУ об этом не знает. Замкнутая система управления по отклонению (принцип Ползунова-Уатта).  Управляющая величина У измеряется с помощью датчика Ду и сравнивается с заданным значением. Вычисляется ошибка управления e=Uз-Uoc. В зависимости от величины и знака ошибки e, устройство управления формирует управляющее воздействие на объект, стремясь уменьшить величину ошибки. (e®0) если e=0, то У=Uз. Характерный признак такой системы наличие отрицательной обратной связи (ООС)(общий вход-выход). Достоинство: универсальность. УУ реагируетна любые отклонения независимо от причины. Недостаток: внутреннее противоречие принципа (чтобы уменьшить ошибку, надо ее сначала допустить). Основные элементы САУ. Задающее устройство, регулятор, обратные связи, усиливающее устройство, объект управления. Привести примеры. Основными элементами САУ являются: РУ- регулирующее устройство (регулятор). Оно предназначено для корректирования сигнала ошибки регулирования с целью улучшения качества процесса управления. ЗУ- задающее устройство. Предназначено для функционирования сигнала задания Хз пропорционального технически заданному значению регулируемой величины Хрег. ИМ- исполнительный механизм. Предназначен для преобразования выходного сигнала регулятора в механическое перемещение регулируемого органа. РО- регулируемый орган. Устройство с помощью которого осуществляется изменение режима работы объекта управления, оно возникает на регулируемый параметр объекта управления путем изменения количества вещества или энергии поступающей в объект. ЧЭ- чувствительный элемент. Предназначен для измерения регулируемой величины и преобразования её в сигнал управления другой природы более удобный для передачи последующим элементам САУ. Кроме перечисленных элементов в состав САУ могут входить также усилители (для усиления сигнала по мощности или по уровню преобразования рода сигнала), функциональные блоки (для осуществления алгоритмических операций над сигналами). Они могут быть конструктивно выполнены в виде отдельных элементов или входить в состав рассмотренных выше САУ. Для непрерывных технологических процессов, в том числе в машиностроении выпускаются приборы и средства автоматики в виде унифицированных элементов и блоков на базе, которых могут создаваться системы управления любой сложности. Пример САУ представлен на рисунке:  Где: СП- переменной сопротивление, Км- кулачковый механизм, ЧМ- часовой механизм, МУ- магнитный усилитель, ЭД- электродвигатель, ОУ- обмотка управления, ОВ- обмотка возбуждения Ред- редуктор r- реостат, с помощью которого изменяется сопротивление в цепи нагревателя. Н- нагреватель, ТП- термопара. Объектом управления является электрическая печь, а регулируемой величиной температура в печи. В печь встроена термопара для измерения температуры. Электрический ток в цепи нагрева зависит от положения щетки реостата. Количество выделяемого тепла определяется по формуле: Q=I2RT, где R- сопротивление сигнала, I-ток. Реверсивный электродвигатель через редуктор кинематически связан со щеткой реостата, напряжение изменяющее частоту и направление вращения электродвигатель получает от магнитного усилителя. Щетка потенциометра изменяет свое положение, а следовательно и напряжение U0 под действием профильного кулачка кинематически связанного с движением часового механизма. На вход магнитного усилителя подается напряжение U=U0-U1. После усиления разности U в магнитном усилителе она подается на обмотку управления электродвигателя. Частота и направление вращения двигателя зависит от величины и полярности напряжения на обмотке управления. При положительной разности U ток нагревателя увеличивается, а при отрицательной уменьшается. Увеличение t в печи в рассмотренном примере вызовет возникновение термо ЭДС и уменьшение разности U. Таким образом, можно сделать заключение, что управляющим сигналом в данной системе является не изменение сигнала задания, регулируемой величины или возмущения, а отклонение регулируемого параметра от заданного значения. Следовательно рассматриваемая САУ является системой управления по отклонению. Объект автоматического управления, виды воздействий в САУ. Понятие, примеры устойчивых и неустойчивых объектов управления. Объектом управления (ОУ) или регулирования (ОР) может быть машина, аппарат, установка, комплекс машин и агрегатов, цех или предприятие. В системах управления часто объектами управления являются системы автоматического регулирования. Состояние объекта или системы характеризуется совокупностью переменных величин – параметров состояния (переменных состояния). Переменные, характеризующие состояние объекта управления, по которым ведётся управление, называются управляемыми переменными. Их также называют выходными переменными или выходами. Величины, характеризующие внешнее влияние на объект, называют воздействиями или входными сигналами (входами). Воздействия на объект, вырабатываемые управляющим устройством, называют управляющими воздействиями. Внешнее воздействие, определяющее требуемый закон изменения управляемой величины, называется задающим воздействием. Это воздействие поступает от специального задающего устройства (элемента) – задатчика. Объект управления может быть устойчивым, неустойчивым и нейтральным. Объект устойчив, если после кратковременного внешнего воздействия он с течением времени возвратится к исходному состоянию или состоянию, близкому к нему. Различают устойчивость “в малом” и устойчивость “в большом”. Некоторые нелинейные объекты могут быть устойчивы “в малом”, т. е. при воздействиях, не превышающих определенные пределы, и неустойчивы “в большом”, т. е. при воздействиях, больших некоторой величины. На рисунке показаны характеристики устойчивого (рис. 1.3, а), неустойчивого (1.3, б) и нейтрального (1.3, в) объектов.  Координата уi в устойчивомобъекте возвращается в исходное состояние после воздействия Du продолжительностью Dt. В неустойчивом объекте после окончания воздействия отклонение от начальной величины управляемой координаты продолжает увеличиваться. Нейтральными объектами являются такие объекты, в которых по окончании воздействия устанавливается новое состояние равновесия, которое зависит от произведенного воздействия. Механической аналогией здесь является шарик. В лунке (рис. 1.3, а) его положение устойчиво, на вершине холма (рис. 1.2, б) - неустойчиво, а на плоскости (рис. 1.2, в) он в любом месте находится в равновесии. Электродвигатель постоянного тока независимого возбуждения как объект автоматического управления при ‘изменении напряжения якоря и напряжения возбуждения. Электродвигатели постоянного тока применяют в тех электроприводах, где требуется большой диапазон регулирования скорости, большая точность поддержания скорости вращения привода, регулирования скорости вверх от номинальной. Работа электрического двигателя постоянного тока основана на явлении электромагнитной индукции. Из основ электротехники известно, что на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила, определяемая по правилу левой руки: F = BIL, где I — ток, протекающий по проводнику, В — индукция магнитного поля; L — длина проводника. При пересечении проводником магнитных силовых линий машины в нем наводится электродвижущая сила, которая по отношению к току в проводнике направлена против него, поэтому она называется обратной или противодействующей (противо-э. д. с). Электрическая мощность в двигателе преобразуется в механическую и частично тратится на нагревание проводника. Конструктивно все электрические двигатели постоянного тока состоят из индуктора и якоря, разделенных воздушным зазором. Индуктор электродвигателя постоянного тока служит для создания неподвижного магнитного поля машины и состоит из станины, главных и добавочных полюсов. Станина служит для крепления основных и добавочных полюсов и является элементом магнитной цепи машины. На главных полюсах расположены обмотки возбуждения, предназначенные для создания магнитного поля машины, на добавочных полюсах - специальная обмотка, служащая для улучшения условий коммутации. Якорь электродвигателя постоянного тока состоит из магнитной системы, собранной из отдельных листов, рабочей обмотки, уложенной в пазы, и коллектора служащего для подвода к рабочей обмотке постоянного тока. Коллектор представляет собой цилиндр, насаженный на вал двигателя и избранный из изолированных друг от друга медных пластин. На коллекторе имеются выступы-петушки, к которым припаяны концы секций обмотки якоря. Съем тока с коллектора осуществляется с помощью щеток, обеспечивающих скользящий контакт с коллектором. Щетки закреплены в щеткодержателях, которые удерживают их в определенном положении и обеспечивают необходимое нажатие щетки на поверхность коллектора. Щетки и щеткодержатели закреплены на траверсе, связанной с корпусом электродвигателя. В процессе работы электродвигателя постоянного тока щетки, скользя по поверхности вращающегося коллектора, последовательно переходят с одной коллекторной пластины на другую. При этом происходит переключение параллельных секций обмотки якоря и изменение тока в них. Изменение тока происходит в то время, когда виток обмотки замкнут щеткой накоротко. Этот процесс переключения и явления, связанные с ним, называются коммутацией. В момент коммутации в короткозамкнутой секции обмотки под влиянием собственного магнитного поля наводится э. д. с. самоиндукции. Результирующая э. д. с. вызывает в короткозамкнутой секции дополнительный ток, который создает неравномерное распределение плотности тока на контактной поверхности щеток. Это обстоятельство считается основной причиной искрения коллектора под щеткой. Качество коммутации оценивается по степени искрения под сбегающим краем щетки и определяется по шкале степеней искрения. Асинхронный электродвигатель как объект автоматического управления. Характеристики АД, принципы управления. Асинхронная машина (АМ) представляет собой объект управления, регулируемый по цепям статора и (или) ротора. Функциональные схемы АМ с короткозамкнутым и фазным ротором приведены на рисунке: - АМ с короткозамкнутым ротором; - АМ с фазным ротором.
 Рисунок - Функциональные схемы асинхронной машины Область применения АМ с фазным ротором достаточно специфична – регулируемые электроприводы кранов, экскаваторов, механизмов металлургической промышленности. При этом регулирование скорости ω вращения ротора осуществляют, как правило, только по цепи ротора, вводя добавочные сопротивления в фазы ротора (см. рис. 4.7б) или источники э.д.с. в цепь ротора. Параметры цепи статора при этом остаются неизменными: U1 = const, f1 = const. Регулирование эквивалентного сопротивления в роторной цепи иногда осуществляют с помощью тиристорного коммутатора или применяют асинхронный вентильный каскад (АВК) с рекуперацией энергии в сеть. Среди асинхронных машин наибольшее применение нашли трехфазные асинхронные двигатели (АД) с короткозамкнутым ротором в силу простоты конструкции, дешевизны и надежности (вследствие отсутствия контактных колец в цепи ротора). АМ представляет собой систему магнитно-связанных обмоток, расположенных на статоре и роторе. При вращении ротора взаимное положение обмоток статора и ротора непрерывно меняется, что приводит к изменению взаимной индуктивности и, соответственно потокосцеплений статора и ротора. Математическая модель АМ при этом становится достаточно сложной и требует обоснованного упрощения. Будем полагать, что имеют место следующие допущения: - воздушный зазор равномерен; - насыщение магнитной цепи отсутствует; - намагничивающие силы обмоток распределены синусоидально вдоль окружности воздушного зазора; - обмотки статора и ротора строго симметричны и их оси сдвинуты в пространстве на 120°; - потери на гистерезис и вихревые токи отсутствуют. В целях упрощения описания АМ как объекта управления реальные переменные статора и ротора заменяют их проекциями на взаимно перпендикулярные оси координат, вращающиеся с произвольной скоростью. Такое преобразование координат соответствует приведению трехфазной АМ к эквивалентной двухфазной. Обобщенная двухфазная двухполюсная электрическая машина имеет по две взаимно перпендикулярны к обмотки на статоре и роторе. Для описания АД как объекта управления применяют также структурные схемы и векторно-матричные модели, однако, при этом прибегают к ряду допущений и модель привязывают к способу (координатам) управления двигателем. При этом рассматривают, как правило, только режим малых отклонений координат от рабочей точки. Например, при управлении АД только угловой частотой линеаризованная модель АД в относительных координатах (по отношению к номинальным значениям), по сути, не отличается от модели ДПТ, регулируемого по цепи якоря. Усилительные устройства, и их характеристики. Примеры (операционный усилитель). При решении многих инженерных задач, например при измерении электрических и неэлектрических величин, контроле и автоматизации технологических процессов, построении радиотехнических устройств и медицинских приборов, возникает необходимость в усилении электрических сигналов. Для этой цели служат |