Лекция 1 Автоматизация. Лекция 1_Основные понятия. Лекция 1 Основные понятия и определения теории автоматического управления
 Скачать 228.69 Kb.
|
|
Лекция 1 Основные понятия и определения теории автоматического управления. Управление – это совокупность действий, направленных на достижение поставленной цели. Регулирование – частный случай управления техническими системами. Регулирование направлено на достижение объектом заданного состояния. Объектом управления (регулирования) являются устройства, реализующие физические, химические, биологические и иные процессы, связанные с движением массы, энергии и информации. Управление объектом осуществляется посредством управляющего устройства.Применительно к техническим системам используются термины регулирующее устройство или регулятор. Система – набор взаимодействующих элементов, обеспечивающих общий режим функционирования. Под элементом подразумевается любое техническое устройство, выполняющее назначенную функцию. Управляющее устройство и объект управления образуют систему управления. Она называется разомкнутой, если сигнал передается в одном направлении, от управляющего устройства к объекту управления, рис. 1.1. Система называется замкнутой, если сигнал передается не только от управляющего устройства к объекту управления, но и обратно, от объекта управления к управляющему устройству, рис. 1.2. В замкнутой системе различают соответственно канал прямой связи и канал обратной связи. Если устранить обратную связь, замкнутая система становится разомкнутой. Система управления (регулирования) характеризуется состоянием: значением всех параметров и показателей в данный момент времени. Параметром называют количественную характеристику, показателем – качественную. Система автоматического управления (САУ) или система автоматического регулирования (САР) – это совместное действие управляющего устройства (регулятора) и объекта управления (регулирования). Изменение параметров объекта управления происходит под влиянием воздействий. Термином «воздействие» объединяют причины, изменяющие параметры объекта: электрические и др. сигналы, давление, смещение и т.п. Воздействия классифицируют на: − задающие - команды управляющему устройству (регулятору); − управляющие (регулирующие) - изменяют параметры, определяющие состояние объекта; − возмущающие - случайные воздействия окружающей среды на объект управления. Каждому воздействию присваивается обозначение: задающее – u (t), управляющее – x (t), управляемое – y (t), возмущение – z (t). Все они функции времени. Наряду с термином «воздействие» употребляют термин «сигнал». Направление, в котором действуют (распространяются) воздействие (сигнал), на схемах обозначают стрелками. Рис. 1.1. Управление по разомкнутой схеме. Рис. 1.2. Управление по замкнутой схеме. Рис. 1.3. Развернутая функциональная схема замкнутой САУ. Штриховыми линиями очерчено управляющее устройство. x(t) ЗУ У ИМ ОУ ИУ z(t) y(t) u(t) УУ С ε (t) УУ ОУ z(t) y(t) x(t) u(t) y(t) УУ ОУ u(t) x(t) y(t) z(t) Принципиальная схема автоматического управления. Рассмотрим схему, представленную на рис. 1.3. На ней обозначены шесть элементов, выполняющие функции, необходимые для осуществления процесса автоматического управления. Задающее устройство (ЗУ) – вырабатывает команды управляющему устройству (регулятору). Сумматор (С) – устройство, алгебраически суммирующее сигналы, поступающие от задающего устройства и по каналу обратной связи. Затушеванный сектор означает, что сигнал обратной связи имеет знак, противоположный знаку сигнала от задающего устройства. Усилитель (У) – устройство, усиливающее сигнал, поступающий от сумматора. Исполнительный механизм (ИМ) – вырабатывает воздействие, способное изменить управляемый параметр объекта управления. Объект управления (ОУ) – устройство, процесс в котором изменяют для достижения поставленной цели. Измерительное устройство (ИУ) – регистрирует сигнал, свидетельствующий об изменении параметра объекта управления, преобразует его и посылает в сумматор. Взаимодействие элементов обеспечивается движением сигналов. Направление указывается стрелками. Проанализируем работу схемы. На вход объекта управления ОУ подается управляющее воздействие x (t). На выходе снимается сигнал y (t),свидетельствующий о состоянии объекта. Под влиянием возмущения z (t) величина y (t) отклоняется от назначенной. Сигнал регистрируется измерительным устройством ИУ и поступает на сумматор С. Линия, по которой объект управления посылает информацию о состоянии объекта в управляющее устройство УУ, образует обратную связь ОС. Назначение сумматора – сравнить сигнал от объекта управления с задающим сигналом u (t). Последний поступает от задающего устройства ЗУ. Сумматор вычитает один сигнал из другого и формирует сигнал рассогласования (ошибки): (t) = u(t) – y (t). Сигнал рассогласования может быть отрицательным или положительным, смотря по тому, больше регулируемая величина y (t) чем задаваемая u (t) или меньше. При любом неравенстве на усилитель У и далее на исполнительный механизм ИМ поступает сигнал, по знаку противоположный регулируемой величине. Получается, что управляющее устройство вырабатывает сигнал, обратный по знаку воздействия внешнего возмущения z (t). Тем самым действие возмущения нейтрализуется, процесс возвращается к норме, регулируемый параметр y (t) становится тем, который отвечает назначению. Принципы управления. По отклонению. Воздействие на объект вырабатывается как функция отклонения управляемой величины от предписанного значения. Регистрируется отклонение управляемой величины y (t) от заданного значения u (t), рис. 1.2. Управляющее устройство сравнивает значения y (t) и u (t), вырабатывает регулирующее воздействие x (t) и устраняет рассогласование. То есть, как было описано при анализе работы функциональной схемы на рис. 1.3. Регулирующее воздействие осуществляется независимо от числа, природы и места появления возмущений. На практике системы с таким управлением получили преимущественное распространение. Отметим: системы регулирования по отклонению являются замкнутыми. По возмущению. Воздействие на объект вырабатывается как компенсирующее отрицательное воздействие возмущений. Из действующих на систему возмущений выбирают основное (оно должно быть измеряемым). Управляющее устройство сравнивает возмущающий сигнал z (t) с задаваемым u (t) и формирует регулирующее воздействие x (t) на объект. Чем достигается компенсация помехи, рис. 1.4. Рис. 1.4. Регулирование по возмущению. Практически регулирование по возмущению не всегда удается организовать, т.к. возмущений обычно несколько и не все можно измерить. Кроме того, система разомкнутая. В управляющее устройство не поступает сигнал о текущем значении регулируемой величины. С течением времени отклонение y (t) от заданного значения может превысить допустимые пределы. ОУ УУ z(t) u(t) x(t) y(t) Комбинированное. Регулирование по отклонению и по возмущению осуществляется одновременно, рис. 1.5. В схему вводятся два управляющих устройства: по каналу обратной связи и по каналу возмущения Рис. 1.5. Комбинированное регулирование Управляющее устройство УУ 2 компенсирует отрицательное влияние основного возмущения, а УУ 1 – всех других. Комбинированное регулирование позволяет получать высококачественные САР. Как упоминалось выше, системы с компенсацией разомкнутые. Разомкнутыми могут быть так же системы с программным управлением, в которых требуется изменять управляемую величину заранее предписанным образом. Закон изменения управляемой величины задается программой управляющего устройства или оператором. Все остальные виды САР выполняются замкнутыми или комбинированными. Замкнутыми выполняются системы автоматической стабилизации, системы с программным управлением и следящие системы. В следящих системах значение регулируемой величины заранее неизвестно: это значение является функцией некоторой внешней величины, способной изменяться непредсказуемым способом. Зарегистрировав изменение внешней величины, задающее устройство вырабатывает сигнал на соответствующее изменение регулируемой величины. Работа системы предусматривает постоянное отслеживание поведения внешней величины. На принципе комбинированного управления создаются системы автоматической стабилизации, следящие, самонастраивающиеся (системы экстремального регулирования). В последних оптимальный режим работы характеризуется экстремальным значением показателя эффективности процесса. Осуществляется автоматический поиск обеспечивающих экстремальность управляющих воздействий. УУ 2 УУ 1 ОУ z(t) z(t) x(t) y(t) y(t) u(t) Классификация систем автоматического управления (регулирования) Основными признаками деления автоматических систем на большие классы по характеру внутренних динамических процессов являются следующие. 1. По принципу управления САУ: – обыкновенные (разомкнутые, замкнутые, комбинированные); – самонастраивающиеся; – игровые. 2. По назначению (характеру задающего воздействия) САУ: – системы стабилизации (задающее воздействие Х вх (t)= const); – системы программного управления (задающее воздействие Х вх (t) – известная, заранее заданная функция времени); – следящие системы (задающее воздействие Х вх (t) является случайной функцией времени). Системы стабилизации применяются для поддержания постоянства управляемых величин различных объектов, например, напряжения генератора, угловой скорости вращения вала электродвигателя, температуры, давления в гермокамере и т. д. Системы программного регулирования применяются для программного управления технологическими процессами, программного регулирования температуры, программного управления станками и т. п. Следящие системы находят применение для управления, например, человеком-оператором, по приборам, положением вентиля крана, для управления положением РЛС ПУ. 3. В зависимости от ошибки в установившемся режиме при постоянном внешнем воздействии (управляющем или возмущающем) системы автоматического управления принято подразделять на статические и астатические. Система автоматического управления называется статической по отношению к управляющему воздействию, если при постоянном внешнем воздействии, стремящемся с течением времени к некоторому установившемуся значению, ошибка также стремится к постоянному значению, зависящему от величины управляющего воздействия. Система автоматического управления именуется астатической по отношению к управляющему воздействию, если при воздействии, стремящемся к установившемуся значению, ошибка стремится к нулю независимо от величины воздействия. На основании этого можно сделать заключение о том, что по точности астатические системы лучше статических и поэтому последние годы находят более широкое применение. 4. В зависимости от характера сигналов на входе и выходе элементов автоматического устройства: – САУ непрерывного управления (сигналы на входе и выходе всех элементов представляют собой непрерывные функции времени); – САУ дискретного управления (импульсные, релейные); 5. По виду дифференциальных уравнений, описывающих процессы управления: – линейные САУ (процессы описываются линейными уравнениями); – нелинейные САУ (процессы описываются нелинейными уравнениями). 6. По числу управляемых величин: – САУ одноканальные (с одной управляемой величиной); – САУ многоканальные (с несколькими управляемыми величинами). 7. По виду используемой энергии: – электрические; – гидравлические; – пневматические; – электрогидравлические; – электропневматические. САУ можно классифицировать и по другим признакам. Задачи теории автоматического управления. Основные задачи теории автоматического управления следующие: − разработка методов анализа САУ; − разработка методов синтеза САУ; − разработка принципов построения и методов коррекции динамических свойств САУ. |