ЛЕКЦИЯ 1. Основные понятия и определения
 Скачать 0.99 Mb.
|
|
Автоматика (лекции) ЛЕКЦИЯ 1. Основные понятия и определенияВ современном мире мы повсюду встречаемся с устройствами и системами, выполняющими различные простые и сложные операции без непосредственного участия человека. Такие устройства и системы называются – автоматическими системами. Для их правильного функционирования, обслуживания, управления, а также для разработки и проектирования таких систем требуются специальные знания. Все это изучает научная дисциплина, которая называется – автоматика. Автоматика – это область теоретических и прикладных знаний об автоматически действующих технических устройствах и системах. Таким образом, ясно, что автоматика включает в себя как теорию автоматического регулирования и управления, так и совокупность технических средств, необходимых для построения автоматических систем. В зависимости от функций, выполняемых автоматическими устройствами можно выделить три основных вида систем автоматики: системы автоматического контроля; системы автоматической защиты; системы автоматического управления (САУ). Автоматический контроль предназначен для: сигнализации; автоматического измерения и индицирования; сбора информации. Автоматическая сигнализация предназначена для оповещения о нормальных, предельных и аварийных значениях контролируемых параметров, а также для указания места и характера нарушений производственного процесса. Автоматическое измерение служит для измерения и передачи на указательные и регистрирующие приборы различных параметров производственного процесса. Автоматический сбор информации предназначен для получения общей информации о ходе производственного процесса, качестве выпускаемой продукции и т.п. Он предполагает возможность передачи, хранения и последующей обработки средствами вычислительной техники совокупности различных параметров производственного процесса. Автоматическая защита служит для предотвращения ненормальных или аварийных режимов работы. В случае возникновения таких аварийных режимов система автоматической защиты может либо прекратить контролируемый процесс, либо вывести его из аварийного режима. Автоматическое управление предназначено для целенаправленного изменения различных параметров производственного или технологического процесса. Разновидностью автоматического управления является автоматическое регулирование. Под этим понимается процесс поддержания или целенаправленного изменения какого-либо одного параметра. Автоматическое устройство, которое выполняет такую функцию, называется регулятором. Структура систем автоматического управленияАвтоматическая система управления любой сложности состоит из: объекта управления; автоматического управляющего устройства. В общем виде САУ можно изобразить следующим образом.  Состояние объекта характеризуется выходной величиной Х. В общем случае выходных величин несколько, и тогда состояние объекта характеризуется вектором Х. От УУ на вход объекта поступает управляющее воздействие U. Помимо управляющего воздействия к объекту приложено также возмущающее воздействие (возмущение, помеха) F, которое изменяет состояние объекта, т.е. Х, препятствуя управлению. На вход управляющего устройства подается задающее воздействие (задание) G, содержащее информацию о требуемом значении Х, т.е. о цели управления. Переменные U,G,F в общем случае являются векторами. В технике под объектом управления подразумевается техническое устройство или технологический процесс, некоторые физические параметры которого подлежат стабилизации или целенаправленным изменениям. Объект управления взаимодействует с внешней средой. Воздействие окружающей среды на объект управления называется возмущающим воздействием. Для того чтобы объект управления мог реагировать на внешние воздействия, он должен иметь орган управления, или регулирующий орган. Например, если объектом регулирования является электрическая печь сопротивления, то регулирующим органом у нее может быть реостат, автотрансформатор, либо тиристорный блок. Автоматическим управляющим устройством называется устройство, осуществляющее воздействие на объект управления в соответствии с заложенным в нем законом (алгоритмом) управления. Обычно управляющее устройство действует на объект управления через орган управления. Связь между различными элементами автоматической системы управления (например, связь между регулятором и регулирующим органом объекта управления; или связь между объектом управления и его регулирующим органом) осуществляется с помощью сигналов. Дадим определение сигнала. Сигналами называются физические процессы, параметры которых содержат информацию. Например, в телефонной связи звук передается при помощи электрических сигналов. Параметры, содержащую информацию, называются информационными параметрами. Например, сигнал – электрический ток, информационный параметр – амплитуда тока или напряжения. Те физические величины объекта управления, которые требуется стабилизировать, либо изменять по заданному закону называются регулируемыми параметрами. В термическом процессе (электрическая печь) таким регулируемым параметром является температура. Рассмотрим, что из себя представляет УУ, которое перерабатывает получаемую информацию по определенному заложенному в нем алгоритму (правилу), в результате чего на его выходе возникает управляющее воздействие.  Основными частями УУ являются: чувствительное устройство ЧУ, вычислительное устройство ВУ и исполнительное устройство ИУ. ЧУ служат для измерения переменных Х,G и F. ВУ реализует алгоритм работы управляющего устройства, соответствующим образом перерабатывая поступающую от чувствительных устройств входную информацию. В простейшем случае оно осуществляет простые математические операции, такие как операция сравнения, определяющая разность Х – G, операции интегрирования, дифференцирования, статического нелинейного преобразования и т.п. В более сложных случаях ВУ может представлять собой вычислительную машину и даже комплекс таких машин. ИУ предназначены для непосредственного управления объектом, т.е. изменения его состояния в соответствии с сигналом, выдаваемым вычислительным устройством, чтобы свести к нулю рассогласование. Помимо перечисленных частей, в состав УУ могут входить различные специальные устройства, например, преобразователи, служащие для согласования отдельных частей системы, устройств связи и т.п. 2. Классификация систем автоматического управления. Все системы управления и регулирования делятся по различным признакам на следующие основные классы. По принципу действия: - разомкнутые системы; - замкнутые системы; - комбинированные системы; - адаптивные системы. По виду задающего воздействия g(t): - системы стабилизации, если g(t) = const; - системы программного управления, если g(t) – наперед заданная функция времени; - следящие системы, если g(t) – случайная величина. По математическому описанию: - линейные системы; - нелинейные системы. В схеме САУ, изображенной на рис.1, на УУ поступают три вида информации: информация о величине Х, определяющей состояние объекта, информация о величине G, задающей цель управления, информация о F – возмущениях, нарушающих режим работы объекта. Однако возможны САУ, в которых используется лишь часть перечисленной информации. При этом в зависимости от видов используемой управляющим устройством информации различают два основных типа САУ – разомкнутые системы и замкнутые системы. В разомкнутых САУ выходная величина объекта Х не измеряется, т.е. нет контроля за состоянием объекта. Разомкнутыми такие системы называются потому, что вследствие этого в них отсутствует обратная связь между выходом объекта и входом УУ, при наличии которой объект и УУ образуют замкнутый контур. Обратная связь – это такая связь, при которой информация о состоянии управляемого объекта передается с выхода системы на вход УУ. Возможны разомкнутые САУ, в которых УУ измеряет только одно задающее воздействие G, одно возмущение F и, наконец, оба эти сигнала одновременно. В первом варианте разомкнутой САУ управление осуществляется по задающему воздействию: поступающие извне команды G приводят путем изменения управляющего воздействия U к соответствующему изменению выходной величины объекта Х. Точность обеспечиваемого при этом соответствия между Х и G целиком определяется постоянством параметров системы и возмущений и никак не контролируется. Поэтому практически такие системы пригодны лишь при достаточно высокой стабильности указанных выше условий работы системы и невысоких требованиях к точности. Примером системы этого типа служит разомкнутая система программного управления напряжением синхронного генератора, изображенная на рис.3.  Объектом управления здесь является синхронный генератор Г, вращаемый с постоянной скоростью двигателем Д. Выходная величина объекта – напряжение генератора – определяется напряжением возбуждения, подаваемым на обмотку возбуждения генератора ОВ от устройства задания графика напряжения УЗГ. Последнее является управляющим устройством. Напряжение возбуждения автоматически изменяется во времени в соответствии с заложенной в УЗГ программой, обеспечивая соответствующее изменение напряжения генератора. Вторым вариантом разомкнутой САУ является система автоматического управления по возмущению, или, как ее еще называют, система автоматической компенсации. Такие системы находят применение, в частности, когда задача управления сводится к поддержанию постоянства выходной величины Х объекта. На рис.4 в качестве примера такого типа системы показана система стабилизации напряжения синхронного генератора при переменной электрической нагрузке на его зажимах.  Чувствительное устройство, состоящее из трех трансформаторов тока ТТ и выпрямителя В, выдает напряжение постоянного тока, пропорциональное току генератора. Это напряжение подается в цепь возбуждения генератора, изменяя ток возбуждения. При увеличении, например, нагрузки напряжение на зажимах генератора соответственно уменьшится за счет увеличившегося падения напряжения на обмотке статора. Однако одновременно благодаря действию сигнала по току нагрузки генератора, создаваемого чувствительным элементом, ток возбуждения генератора увеличится настолько, что в результате напряжение генератора возвратится к своему исходному значению. Таким образом происходит компенсация влияния изменения нагрузки на напряжение генератора и обеспечивается поддержание напряжения на постоянном уровне в условиях переменной нагрузки. Система управления по задающему и возмущающему воздействиям является наиболее полным видом разомкнутой САУ. В этом случае управление объектом осуществляется в функции двух величин G и F, т.е. здесь объединены оба предыдущих варианта разомкнутых систем. Примером такой системы может быть система программного управления напряжением генератора, объединяющая схемы, изображенные на рис.3 и 4. (В этом случае в схеме рис.4 напряжение питания цепи возбуждения должно подаваться от устройства задания графика напряжения УЗГ, показанного на рис.3.). В отличие от системы программного управления, изображенной на рис.3, в данной схеме устраняется основная ошибка по напряжению, вызванная непостоянством нагрузки генератора. Принцип компенсации возмущения позволяет существенно повысить точность управления в разомкнутых САУ. Однако, все же эта точность остается невысокой, во-первых, вследствие невозможности охватить компенсацией все возмущения, действующие на систему (в том числе и на УУ), и, во-вторых, из-за изменения во времени параметров объекта и управляющего устройства. В силу изложенного разомкнутые САУ нашли применение только при невысоких требованиях к точности управления. В замкнутых САУ на вход УУ подаются задающее воздействие G и выходная величина объекта Х. Исходя из величины G, УУ определяет соответствующее требуемое значение Х и, имея информацию о текущем значении Х, обеспечивает необходимое соответствие между Х и G путем воздействия на объект. В такой САУ УУ стремится ликвидировать все отклонения Х от его значения, определяемого заданием G, независимо от причин, вызвавших эти отклонения, включая любые возмущения, внешние и внутренние помехи, а также изменения параметров системы. САУ такого типа представляют собой замкнутый контур, образованный объектом и УУ. При этом УУ создает обратную связь вокруг объекта, связывая его выход со входом. Замкнутые САУ называются поэтому еще системами с обратной связью или системами управления по отклонению. Эти системы могут обеспечить принципиально неограниченную точность управления и представляют собой основной тип САУ. На рис.5 показана в качестве примера замкнутая система управления напряжением синхронного генератора.  УУ состоит из измерителя напряжения ИН, который включает в себя тр-р напряжения ТН с выпрямителем и является чувствительным устройством; устройства задания величины напряжения UЗ в виде делителя напряжения RЗ, питаемого стабилизированным напряжением, и усилителя У, являющегося одновременно и исполнительным устройством, воздействующим на объект. ВУ в схеме на рис.5 представляет собой простейшую схему сравнения напряжений U и UЗ на входе усилителя, определяющую разность U = UЗ – U. Напряжение U постоянного тока на выходе измерителя напряжения ИН однозначно связано с напряжением генератора UГ. Когда U = UЗ, сигнал U на входе усилителя У равен нулю и УУ не действует на генератор, являющийся объектом управления. Если по какой-либо причине, например, вследствие изменения нагрузки генератора или скорости его вращения, напряжение генератора изменится, на входе усилителя появится напряжение U соответствующей величины и знака. В результате на выходе усилителя возникает напряжение, которое изменит ток возбуждения генератора, что приведет к возврату напряжения генератора к исходному значению. Если в схеме на рис.5 вместо делителя напряжения RЗ поставить УЗГ, получится замкнутая система программного управления напряжением генератора. Комбинированные САУ представляют собой объединение в одну систему замкнутой системы управления по отклонению и разомкнутой системы управления по внешнему воздействию. Показанная на рис.1 схема является схемой такой комбинированной САУ. Добавление к замкнутой системе управления разомкнутой системы компенсации влияния на выходную величину объекта какого-либо возмущения облегчает задачу замкнутой САУ и тем самым позволяет упростить ее и повысить точность управления. Лучшее качество управления в комбинированных системах объясняется тем, что в них наиболее полно используется информация об объекте и внешней ситуации. Примером комбинированной системы может служить система автоматического управления напряжением синхронного генератора, представляющая собой объединение схем рис.4 и 5. Среди различных автоматических систем наибольшее распространение получили системы автоматического регулирования, в которых реализован принцип регулирования по отклонению. Поэтому ограничимся рассмотрением типовых элементов этих схем. Для пояснения идеи устройства и принципа действия автоматических систем применяют функциональные схемы. Функциональная схема составляется из функциональных блоков, которые представляют собой элементы автоматических систем, выполняющих определенные функции. Функциональные блоки изображают в виде прямоугольников, внутри которых надписывают их наименование в соответствии с выполняемыми функциями (рис. 2). Связи между функциональными блоками обозначаются линиями со стрелками, которые указывают направление воздействий. Представим наиболее общий случай построения САУ (Рис. 6).  Здесь ЗУ – задающее устройство; ПЭ – преобразовательный элемент (для согласования различных частей системы); У – усилитель; ИУ – исполнительное устройство; О – объект управления; КУ – корректирующее устройство для улучшения динамических свойств (местная обратная связь); ЧУ – измерительное устройство (чувствительный элемент (устройство)). Обязательным элементом системы управления, как нам известно, является объект управления (ОУ). Цель управления состоит в поддержании некоторого параметра этого объекта управления на заданном уровне. Следовательно, для работы системы необходимо еще два элемента: 1) устройство, позволяющее системе воспринимать и отслеживать изменения регулируемого параметра x(t), т.е. датчик (ЧУ); 2) устройство, сообщающее системе о том, какое значение должен иметь регулируемый параметр в текущий момент времени g(t), т.е. задающее устройство (ЗУ). Далее, для работы системы требуется устройство, позволяющее сравнивать заданное значение регулируемого параметра с его реальным значением, т.е. сравнивающее устройство (СУ). Если реальное и заданное значение регулируемого параметра не совпадают, то нужно каким-то образом воздействовать на объект управления, так чтобы в итоге добиться совпадения сигналов x(t) и g(t). Воздействие на объект управления, как мы знаем, осуществляется через регулирующий орган (ИУ), а принятие решения относительно степени воздействия ложится на автоматическое управляющее устройство, называемое регулятором. Объединив все перечисленное, мы получили типичную систему автоматического управления, которая позволяет поддерживать параметр x(t) на заданном уровне g(t). Насколько эффективно будет работать такая система, зависит от конкретных характеристик всех ее элементов. Характеристики объекта управления, регулирующего органа и датчика, используемых в нашей системе управления, жестко заданны их конструкцией и практически не меняются – это неизменяемая часть системы. Характеристики регулятора, как правило, можно варьировать с помощью изменения его настроечных параметров, так чтобы добиться максимально возможного качества регулирования. Это принципиально изменяемая часть системы. При анализе работы системы, как правило, нет необходимости детально отражать устройство отдельных ее частей, поэтому все элементы неизменяемой части можно объединить в виде одного элемента и рассматривать его как единый объект управления. Цель управления, формируемая задающим устройством в виде сигнала g(t), является по отношению к системе управления внешней информацией, поэтому на функциональных схемах задающее устройство можно не указывать, а сигнал g(t) рассматривать как входной сигнал. С учетом сказанного, функциональная схема системы управления примет более простой вид. |