Управление техническими системами

К ним относятся простейшие системы  стабилизации (уровня, расхода, давления и т. п.), в которых воспринимающий элемент через рычажную систему непосредственно действует на исполнительный орган (заслонку, клапан).

АСУ непрямого  действия – АСУ, в которой управляющее воздействие создается за счет энергии дополнительного источника.

 

2. Алгоритм функционирования устройства (системы) – совокупность предписаний, ведущих к правильному выполнению технического процесса в каком-либо устройстве или в совокупности устройств (системе).

К алгоритмам  функционирования относятся:

1) Алгоритм стабилизации, который требует постоянства вектора выходного состояния ОУ Y(t) и равенство его заданному значению Y_z.

Y_z=const                                                             [1.8]

При этом заданное значение должно оставаться постоянным в течении достаточно долгого периода времени. Примером систем, в которых используется алгоритм стабилизации, являются приводы главного движения станочного оборудования.

2) Программный алгоритм, для которого характерно изменение вектора выходного состояния ОУ по наперед известному закону или программе. В этом случае заданное значение вектора выходного состояния является известной функцией времени, то есть

Y_z(t)=F_z(t)                                                          [1.9]

Примером использования такого алгоритма являются системы числового  программного управления.

3) Следящий алгоритм работы ОУ характеризуется тем, что требуемый закон изменения вектора выходного состояния объекта заранее неизвестен. Следящий алгоритм может быть описан выражением:

Y_z(t)=F₀(t),                                                        [1.10]

где F₀(t)– неопределенная функция времени.

Таким алгоритмом работы характеризуются  системы наведения или слежения за состоянием объекта, изменяющегося по случайному закону. Например, системы компенсации износа режущего инструмента.

Графическое представление алгоритмов функционирования для вектора выходного состояния, содержащего только одну компоненту, представлено на рисунке 6.

Стабилизация                        Программный                    Следящий

Рисунок 6 - Алгоритмы функционирования ОУ.

Алгоритм управления – совокупность предписаний, определяющая характер воздействий извне на объект управления, обеспечивающих его алгоритм функционирования. Алгоритм функционирования управляющего устройства – зависимость управляющего воздействия от задающего воздействия, управляемой величины и дополнительного возмущающего воздействия.

Для одномерной АСУ алгоритм управления можно записать следующим образом:

y(t) = А_у[ x_з(t), x(t), z_д(t)]                                        [1.11]

Алгоритм функционирования объекта управления – зависимость управляемой величины от управляющего и основного возмущающего воздействий.

Для одномерной АСУ алгоритм функционирования объекта можно записать следующим образом:

x(t) = А_о[ y(t), z_о(t)]                                                [1.12]

Алгоритм функционирования объекта  и алгоритм управления в совокупности образуют алгоритм функционирования АСУ.

Алгоритмическая структура (схема) – структура (схема), представляющая собой совокупность взаимосвязанных алгоритмических звеньев и характеризующая алгоритмы преобразования информации в АСУ.

При этом, алгоритмическое звено - часть алгоритмической структуры АСУ, соответствующая определенному математическому или логическому алгоритму преобразования сигнала.

        Если алгоритмическое звено выполняет одну простейшую математическую или логическую операцию, то его называют элементарным алгоритмическим звеном. На схемах алгоритмические звенья изображают прямоугольниками, внутри которых записывают соответствующие операторы преобразования сигналов. Иногда вместо операторов в формульном виде приводят графики зависимости выходной величины от входной или графики переходных функций.

Различают следующие виды алгоритмических  звеньев:

• статическое; • динамическое;• арифметическое;• логическое.

Статическое звено – звено, преобразующее входной сигнал в выходной мгновенно (без инерции). Связь между входным и выходным сигналами статического звена описывается обычно алгебраической функцией. К статическим звеньям относятся различные безинерционные преобразователи, например, резистивный делитель напряжения.

Динамическое  звено – звено, преобразующее входной сигнал в выходной в соответствии с операциями интегрирования и дифференцирования во времени. Связь между входным и выходным сигналами динамического звена описывается обыкновенными дифференциальными уравнениями.

К классу динамических звеньев относятся  элементы АСУ, обладающие способностью накапливать какой-либо вид энергии или вещества, например, интегратор на основе электрического конденсатора.

Арифметическое  звено – звено, осуществляющее одну из арифметических операций: суммирование, вычитание, умножение, деление.

Наиболее часто встречающееся в автоматике арифметическое звено – звено, выполняющее алгебраическое суммирование сигналов, называют сумматором.

Логическое  звено – звено, выполняющее какую-либо логическую операцию: логическое умножение («И»), логическое сложение («ИЛИ»), логическое отрицание («НЕ») и т.д. Входной и выходной сигналы логического звена являются обычно дискретными и рассматриваются как логические переменные.

Конструктивная  структура (схема) – структура (схема), отражающая конкретное схемное, конструктивное и прочее исполнение АСУ.

К конструктивным схемам относятся: кинематические схемы устройств, принципиальные и монтажные схемы электрические соединений и т. д.

 

3. Автоматические системы, применяемые при автоматизации производственных процессов, в зависимости от характера и объема операций, выполняемых ими, можно разделить на системы автоматического контроля, автоматического регулирования, автоматического управления, следящие, автоматической защиты, адаптивные и т.д. Автоматические системы могут быть комбинированными, т.е. представлять собой совокупность нескольких систем. Например, система автоматического регулирования представляет собой совокупность систем автоматического контроля и управления. Автоматические системы могут также различаться видами применяемых в них устройств, параметрами, конструктивными решениями и т.д.

Следящая система – автоматическая система, в которой выходная величина воспроизводит с определенной точностью входную величину, характер изменения которой заранее не известен.

Следящие системы используют для  различных целей. В качестве выходной величины следящей системы можно рассматривать совершенно различные величины. Одной из наиболее широко распространенных разновидностей следящих систем являются системы управления положением объектов. Такие системы можно рассматривать как дальнейшее развитие и усовершенствование систем дистанционной передачи угловых или линейных перемещений, в которых регулируемой величиной обычно является угол поворота объекта.

Следящая система представлена на рисунке 7.

 

 

 

 

 

Рисунок 7 – Функциональная схема следящей системы

На элемент сравнения (ЭС) от задающего  элемента (ЗЭ), связанного с входным  валом следящей системы, поступает входная величина α_вх. Сюда же от объекта управления (ОУ), связанного с выходным валом системы, поступает значение угла обработки α_вых. В результате сравнения этих величин на выходе элемента сравнения появляется рассогласование   Ө=α_вх- α_вых

Сигнал рассогласования с выхода элемента сравнения поступает на преобразователь (Пр), в котором угол Ө преобразуется в пропорциональное ему напряжение U₀ – сигнал ошибки.

Однако в большинстве случаев  мощность сигнала ошибки недостаточна для приведения в действие исполнительного двигателя (М). Поэтому между преобразователем и исполнительным двигателем включают усилитель (У), обеспечивающий необходимое усиление сигнала ошибки по мощности. Усиленное напряжение с выхода усилителя поступает на М , который приводит в действие объект управления, а перемещение α_вых последнего передается на принимающий элемент измерительной схемы, т.е. на элемент сравнения.

Адаптивная  (самоприспосабливающаяся) система – система автоматического управления, у которой автоматически изменяется способ функционирования управляющей части для осуществления в каком-либо смысле наилучшего управления. В зависимости от поставленной задачи и методов ее решения возможны различные законы управления, поэтому адаптивные системы разделяют на следующие виды:

- адаптивные системы функционального регулирования, где управляющее воздействие является функцией какого-либо параметра, например, подача – функция одной из составляющих силы резания, скорость резания – функция мощности;

- адаптивные системы предельного  (экстремального) регулирования, которые обеспечивают поддержание предельного значения одного или нескольких параметров в объекте;

- адаптивные системы оптимального  регулирования, в которых учитывается совокупность многих факторов с помощью комплексного критерия оптимальности. В соответствии с этим критерием осуществляется изменение регулируемых параметров и величин, например, поддержание в станке режима обработки, обеспечивающего максимальную производительность и наименьшую себестоимость обработки, определяется заданием оптимальных значений параметров (скоростей сил резания, температуры и т.д.), от которых зависят производительность и себестоимость процесса обработки.

 

Тема 1.2 Системы автоматического регулирования

 

1. Состав системы автоматического регулирования

2. Классификация систем регулирования производством

3. Типовые динамические звенья САР и их характеристики

4. Устойчивость систем автоматического  регулирования.

 

1. Система автоматического регулирования (САР) – совокупность объекта управления и автоматического регулятора, взаимодействующих между собой в соответствии с алгоритмом управления.

Автоматическим регулированием называют поддержание значений физических величин на определенном уровне или изменение их по требуемому закону без непосредственного участия человека.

Технические устройства, в которых  процессы подлежат автоматическому  регулированию, называют объектами регулирования.

Физические величины, подлежащие регулированию, называют регулируемыми величинами.

Внешние воздействия, вызывающие отклонение регулируемой величины от ее заданного значения, называют возмущающими воздействиями.

Технические устройства, предназначенные  для автоматического регулирования различных величин в объектах, называют автоматическими регуляторами.

Система автоматического регулирования состоит из двух основных частей - объекта регулирования и автоматического регулятора. САР представляет собой сложные комплексы взаимодействующих технических средств, узлов и элементов, работа которых основана на различных физических принципах (электрических, механических, гидравлических и др.). Они разнообразны по конструктивному исполнению и техническим характеристикам. Однако в теории автоматического регулирования основное внимание уделяется не техническим свойствам отдельных элементов, а их функциональным преобразованиям и характеру связей между ними. Наглядное представление об этом дают функциональные схемы систем автоматического регулирования.

Функциональные схемы отражают взаимодействие устройств, элементов  систем автоматического регулирования в процессе их работы. Графически отдельные устройства систем автоматического регулирования изображают в виде прямоугольников, а существующие между ними связи - стрелками, соответствующими направлению прохождения сигнала. Внутреннее содержание каждого устройства не конкретизируется, а функциональное назначение шифруется буквенными символами.

Типовая (или обобщенная) функциональная схема системы автоматического регулирования представлена на рисунке 8.

На объект регулирования ОР, находящийся под влиянием внешнего возмущающего воздействия F, поступает управляющее воздействие х_р, которое является выходной величиной автоматического регулятора (АР), представляющего собой совокупность элементов. В автоматический регулятор по цепи главной обратной связи (ОСГ) поступает регулируемая величина х_вых. Входная величина х_вх с задатчика З поступает на элемент сравнения (ЭС). Сигнал ошибки, представляющий собой разность входной величины х_вх и сигнала главной обратной связи х_ос (Δх=х_вх-х_ос ) поступает на усилитель У, где усиливается в К раз и воздействует на исполнительный элемент (ИЭ), выходной сигнал х_р которого является регулирующим воздействием автоматического регулятора. Элемент местной обратной связи (ОСМ) вводится в систему автоматического регулирования для улучшения ее динамических свойств.

        Рисунок 8 - Функциональная схема систем автоматического регулирования

 

2. Классификация систем. Вследствие большого разнообразия используемых в технике систем автоматического регулирования, различающихся функциональными возможностями, принципами построения и формой конструктивной реализации, невозможно дать единую классификацию систем автоматического регулирования.

Рассмотрим наиболее характерные классификационные признаки.

1) Наличие в системах явно выраженной обратной связи: разомкнутые и замкнутые. Замкнутые системы содержат цепь главной обратной связи ОСГ, в разомкнутых системах она отсутствует. Системы, работающие по разомкнутому циклу, используют только в качестве составной части более сложных систем автоматического регулирования. Под главной обратной связью понимают подачу части энергии с выхода системы на ее вход. Главная обратная связь (ОСГ) служит для сравнения действительного закона изменения регулируемого параметра с требуемым.

Помимо главной обратной связи в системе предусмотрена местная обратная связь, которая охватывает один или несколько элементов основной цепи. Обратную связь называют положительной, если ее выходной сигнал суммируется с основным сигналом, и отрицательной, если этот сигнал вычитается из основного сигнала.