Управление техническими системами

Еще одним примером является САУ, предназначенная  для регулирования уровня жидкости в парогенераторах и конденсаторах. Принципиальная схема такой системы представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Принципиальная схема автоматического регулирования уровня жидкости

Уровень жидкости h(t) завит от разности двух величин: ее притока G_п и расхода G_р. Если G_п>G_р, уровень растет, и наоборот, при G_п<G_р уровень уменьшается. Приток G_п можно изменять посредством регулирующего клапана (РК), который управляется электроприводом (П). Сигнал, соответствующий действительному уровню h(t), измеряется уровнемером (УМ) и сравнивается с заданным уровнем h_з.

В зависимости от значения и знака  сигнала рассогласования ε(t) регулятор посредством электропривода увеличивает (при ε>0) или уменьшает (при ε<0) приток жидкости G_п, поддерживая равенство между G_п и G_р при заданном уровне h_з. Изменение расхода G_р нарушает баланс в схеме, т.е. G_р является возмущающим сигналом.

Для повышения точности регулирования  наряду с сигналом ε(t) используется сигнал G_п, который обеспечивает местную ОС, или так называемое комбинированное регулирование.

Выходной сигнал некоторых расходомеров (РМ) пропорционален квадрату расхода жидкости, поэтому цепи измерения их расходов содержат блоки извлечения корня (БИК).

Можно записать: сигнал на выходе системы (заданное воздействие) y(t)= h_з; сигнал на выходе системы (уровень жидкости) x(t) = h(t); сигнал возмущения (расхода жидкости) u(t)= G_р(t).

 

Раздел 1. Автоматизированные системы управления

Тема 1.1 Системы автоматического управления и следящие системы

 

1. Классификация  систем автоматического управления

2. Законы автоматического управления.

3. Системы автоматизированного  управления производством

 

1. Существует большое разнообразие систем автоматического управления. Чтобы как-то разобраться в этом многообразии проводится классификация САУ. Существует несколько признаков, по которым проводится классификация САУ. На рисунке 4 приведена примерная классификация САУ.

Рисунок 4 - Классификация САУ

Основные признаки классификации САУ:

По назначению, то есть характеру изменения задающего воздействия, различают:

• системы автоматической стабилизации;
• системы программного управления;
• следящие системы.

Стабилизирующая АСУ – система, алгоритм функционирования которой содержит предписание поддерживать значение управляемой величины постоянным:

x(t) ≈ x_з = const                                                 [1.1]

Знак ≈ означает, что управляемая величина поддерживается на заданном уровне с некоторой ошибкой.

Стабилизирующие АСУ самые распространенные в промышленной автоматике. Их применяют для стабилизации различных физических величин, характеризующих состояние технологических объектов.

Программная АСУ – система, алгоритм функционирования которой содержит предписание изменять управляемую величину в соответствии с заранее заданной функцией времени:

x(t) ≈ x_з(t) = f_п(t)                                               [1.2]

Следящая АСУ – система, алгоритм функционирования которой содержит предписание изменять управляемую величину в соответствии с заранее неизвестной функцией времени:

x(t) ≈ x_з(t) = f_с(t)                                               [1.3]

В стабилизирующих, программных и  следящих АСУ цель управления заключается в обеспечении равенства или близости управляемой величины x(t) к ее заданному значению x_з(t).

Такое управление, осуществляемое с  целью поддержания     x(t) ≈ x_з(t), называется регулированием. Управляющее устройство, осуществляющее регулирование, называется регулятором, а сама система – системой регулирования.

По принципу управления различают:

• Системы с управлением по разомкнутому циклу;
• Системы с управлением по замкнутому циклу;
• Системы комбинированного управления.

Разомкнутая АСУ – система, в которой не осуществляется контроль управляемой величины, т.е. входными воздействиями ее управляющего устройства являются только внешние (задающее и возмущающее) воздействия.

Рисунок 5 - Функциональные схемы САУ с разомкнутой (а, б), замкнутой (в) и комбинированной (г) цепями воздействий

Разомкнутые АСУ можно разделить  в свою очередь на два типа:

• осуществляющие управление в соответствии с изменением только задающего воздействия (Рисунок 5, а);

• осуществляющие управление в соответствии с изменением и задающего и возмущающего воздействий (Рисунок 5, б).

Алгоритм управления разомкнутой системы первого  типа имеет вид

y(t) = A_y [ x_з(t) ]                                                    [1.4]

Чаще всего оператор А_y устанавливает пропорциональную связь между задающим воздействием x_з(t) и управляющим воздействием y(t), а сама система в этом случае осуществляет программное управление.

Системы первого  типа работают эффективно лишь при условии, если влияние возмущений на управляемую величину невелико и все элементы разомкнутой цепи обладают достаточно стабильными характеристиками.

В системах управления по возмущению (Рисунок 5, б) управляющее воздействие зависит от возмущающего и задающего воздействий:

y(t) = A_y [ x_з(t), z(t) ]                                              [1.5]

В большинстве случаев разомкнутые  системы управления по возмущению выполняют функции стабилизации управляемой величины.

Преимущество разомкнутых систем управления по возмущению – их быстродействие: они компенсируют влияние возмущения еще до того, как оно проявится на выходе объекта. Но применимы эти системы лишь в том случае, если на управляемую величину действуют одно или два возмущения и есть возможность измерения этих возмущений. Поэтому если эти величины действуют на объект как возмущения, то обычно стремятся стабилизировать их при помощи дополнительной системы или ввести в основную систему управления данным объектом сигнал, пропорциональный такому воздействию.

Замкнутая АСУ (АСУ с  обратной связью) – система, в которой входными воздействиями ее управляющего устройства являются как внешнее (задающее), так и внутреннее (контрольное) воздействия.

Управляющее воздействие  в замкнутой системе (Рисунок 5, в) формируется в большинстве случаев в зависимости от величины и знака отклонения истинного значения управляемой величины от ее заданного значения:

y(t) = A_y [ ε(t) ],                                                        [1.6]

где ε(t) = x_з(t) - x (t) – сигнал ошибки (сигнал рассогласования).

Замкнутую систему называют часто системой управления по отклонению. В замкнутой системе контролируется непосредственно управляемая величина и тем самым при выработке управляющего воздействия учитывается действие всех возмущений, влияющих на управляемую величину. В этом заключается преимущество замкнутых систем.

Комбинированная АСУ – система, в которой входными воздействиями ее управляющего устройства являются как внешние (задающее и возмущающее), так и внутреннее (контрольное) воздействия.

В комбинированных системах (Рисунок 5, г) имеется две цепи воздействий – по заданию и по возмущению, и управляющее воздействие формируется согласно оператору.

y(t) = A_з [ ε(t) ] + A_в [ z(t) ]                                            [1.7]

Эффективность работы комбинированной  АСУ всегда больше, чем у порознь функционирующих замкнутой или разомкнутой систем.

По характеру используемых для управления сигналов различают:

1) непрерывные или аналоговые системы автоматического управления;

2. дискретные САУ, из которых выделяет:

• импульсные системы автоматического управления;
• релейные системы автоматического управления;
• цифровые системы автоматического управления.

Непрерывная АСУ – АСУ, в которой действуют непрерывные (аналоговые), определенные в каждый момент времени сигналы.

Дискретная  АСУ - АСУ, в которой действует хотя бы один дискретный, определенный только в некоторые моменты времени сигнал.

К дискретным АСУ относятся, например, АСУ, имеющие в своем составе цифровые вычислительные устройства: микропроцессоры, контроллеры, электронные вычислительные машины.

По характеру используемой информации об условиях работы различают:

1. системы автоматического управления с жестким законом управления и структурой;
2. системы автоматического управления с изменяемыми структурой и законом управления, к которым относятся:
• системы автоматической настройки;
• самообучающие системы;
• самоорганизующие системы.

По характеру математических соотношений различают:

1) линейные системы автоматического управления, для которых справедлив принцип суперпозиции;

2) нелинейные системы автоматического управления, для которых принцип суперпозиции в общем случае не справедлив.

Линейные АСУ – АСУ, все элементы которых описываются линейными дифференциальными и/или алгебраическими уравнениями.

Нелинейные  АСУ – АСУ, хотя бы один элемент которой описывается нелинейными дифференциальными и/или алгебраическими уравнениями.

Как линейные, так и нелинейные САУ могут подразделяться на аналоговые, дискретные и дискретно-непрерывные, стационарные и нестационарные. При этом стационарной системой называется САУ, параметры элементов которой не зависят от времени работы системы. Для нестационарной САУ это условие не выполняется.

Стационарные и нестационарные САУ могут быть с сосредоточенными и распределенными параметрами.

 По количеству выходных координат объекта управления различают:

1. одномерные системы автоматического управления;
2. многомерные системы автоматического управления.

Последние делятся на системы связанного и несвязанного управления. В системах связанного управления отдельные управляющие устройства соединены между собой внешними связями. Входящая в состав многомерной системы отдельная САУ называется автономной, если управляемая ею выходная переменная не зависит от значения остальных управляемых величин.

По способу выработки управляющего воздействия замкнутые АСУ разделяют на: • беспоисковые;

         • поисковые.

Беспоисковая  АСУ – АСУ, в которой управляющее воздействие вырабатывается в результате сравнения истинного значения управляемой величины с заданным значением.

Такие системы применяют для  управления сравнительно несложными объектами, характеристики которых достаточно хорошо изучены и для которых заранее известно в каком направлении и на сколько нужно изменить управляющее воздействие при определенном отклонении управляемой величины от заданного значения.

Поисковая АСУ – АСУ, в которой управляющее воздействие формируется с помощью пробных управляющих воздействий и путем анализа результатов этих пробных воздействий.

Такую процедуру поиска правильного  управляющего воздействия приходится применять в тех случаях, когда характеристики объекта управления меняются или известны не полностью; например, известен вид зависимости управляемой величины от управляющего воздействия, но неизвестны числовые значения параметров этой зависимости.

Поэтому поисковые системы называют еще системами с неполной информацией. Наиболее часто принцип автоматического поиска управляющих воздействий применяют для управления объектами, характеристики которых имеют экстремальный характер. Целью управления является отыскание и поддержание управляющих воздействий, соответствующих экстремальному значению управляемой величины. Такие поисковые системы называют экстремальными (оптимальными) системами.

Особый класс АСУ образуют системы, которые способны автоматически приспосабливаться к изменению внешних условий и свойств объекта управления, обеспечивая при этом необходимое качество управления путем изменения структуры и параметров управляющего устройства. Они называются адаптивными (самоприспосабливающимися) системами. В составе адаптивной АСУ имеется дополнительное автоматическое устройство, которое меняет алгоритм управления основного управляющего устройства таким образом, чтобы АСУ в целом осуществляла заданный алгоритм функционирования, который предписывает обычно максимизацию показателя качества. Поэтому адаптивные АСУ являются, как правило, еще и оптимальными.

По степени зависимости  управляемой величины в установившемся режиме от величины возмущающего воздействия АСУ делят на:

• статические;

• астатические.

Статическая АСУ – АСУ, в которой имеется зависимость управляемой величины в установившемся режиме от величины возмущающего воздействия.

Астатическая  АСУ – АСУ, в которой отсутствует зависимость управляемой величины в установившемся режиме от величины возмущающего воздействия.

В зависимости от принадлежности источника энергии, при помощи которого создается управляющее воздействие, различают АСУ:

• прямого действия;

• непрямого действия.

АСУ прямого  действия – АСУ, в которой управляющее воздействие создается при помощи энергии объекта управления.