Классификация систем автоматического регулирования и принципов автоматического регулирования

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ, МОЛОДЕЖИ И СПОРТА УКРАИНЫ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЛЕТНАЯ АКАДЕМИЯ УКРАИНЫ

 

 

 

 

 

 

Контрольная работа №1

Дисциплина – Теория автоматического управления

 

 

 

Исполнитель:

Ф.И.О. Гвоздев Вадим Леонидович

учебная группа ______________

                                                                            зачетная книжка __________

полетное задание________________

Задание выдано__________________

Срок исполнения_________________

Дата защиты_____________________

Оценка_________________________

Руководитель:__________________

 

Кировоград  2014г.

Задание.

 

1. Дать классификацию систем автоматического регулирования и принципов автоматического регулирования.
2. Дать понятие устойчивости системы автоматического регулирования.
3. Необходимое и достаточное условие устойчивости.
4. Пояснить критерий устойчивости Гурвица.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Классификация систем автоматического  регулирования и принципов автоматического  регулирования.

  

         Системы автоматического регулирования нашли широкое применение в многочисленных технологических процессах различных отраслей народного хозяйства. Поддержание постоянными температуры плавильной печи, толщины прокатываемого металла, уровня жидкости в градирне, курса полета самолета, частоты и напряжения питающей электрической сети и т. д. — все это характеризует многообразие процессов и единство требований. Причем из всего многообразия схемных решений CAP можно выделить основные и классифицировать их по характерным признакам. 
 
                     1. По характеру цели регулирования.

  Стабилизирующие, когда значение выходного параметра Y(t) поддерживается постоянным. В этих системах не изменяется с течением времени и задающее воздействие X(t). Действие внешних возмущений (помех) на систему благодаря постоянному задающему воздействию (стабилизации) резко уменьшается или полностью устраняется. Примерами таких систем являются стабилизаторы напряжения, температуры, скорости, углового перемещения. У этих систем:

                                         G(t)= const, 
 
           С программным регулированием, когда изменение выходного параметра Y(t) осуществляется по определенному закону в соответствии с изменением задающего воздействия X(t). Примерами таких систем могут быть станки с программным управлением и т. д. G(t) является некоторой, иногда достаточно сложной, жёстко заданной последовательностью величин. АСР программного типа наиболее распространены в системах ДАУ (например, пуск- останов по программе). 
 
        Следящие системы, когда изменение выходного параметра Y(t) происходит по заранее неизвестному закону изменения задающего воздействия X(t). Во время работы системы регулируемая величина Y(t) должна изменяться в полном соответствии с задающим воздействием, т. е. она следит за ним. К таким системам относятся системы автоматического сопровождения цели (например, телескоп следит за движением небесного тела), системы синхронного следящего электропривода (вал электродвигателя следит за положением задающего вала), системы автоподстройки частоты (в радиоприемнике осуществляется слежение за частотой входного сигнала).

G(t)=var, цель: G(t)- X(t)= 0. 
 

                              2. По наличию ОС: 
 
- разомкнутые (АСР ДАУ),

- замкнутые (большинство).

Разомкнутая CAP предназначена для автоматического выполнения операций, которые задаются внешними источниками воздействий на входе этой системы, при этом процесс управления не зависит от конечного результата. 
 

Замкнутая система автоматического регулирования предназначена для автоматического выполнения операций с зависимостью процесса управления от конечного результата. В этой системе предусмотрена цепь, соединяющая (замыкающая) выход системы с устройством, где происходит сравнение выходного откорректированного сигнала системы — действительного значения управляемой величины с заданной. Благодаря этому сравнению в системе автоматически вырабатывается управляющее воздействие, изменяющее (поддерживающее) значение контролируемого параметра. 

 

                          3. По принципу построения: 
 
            Построение АСР базируется на ряде общих принципов регулирования, основные из которых следующие: регулирование по отклонению, регулирование по возмущению, комбинированное регулирование и принцип адаптации. Принцип автоматического регулирования определяет, как и на основе какой информации формируется регулирующее воздействие на объект регулирования. Одним из основных признаков, характеризующих принцип регулирования, является рабочая информация, необходимая для выработки регулирующего воздействия, а, следовательно, и структура цепи передачи воздействий в системе.

 

        1. По отклонению: 
 
 

 

           Функциональная схема состоит  из двух частей – объекта  управления (ОУ) и регулятора РЕГ, взаимосвязанных между собой  цепочкой воздействий. Регулируемый  параметр Y(t) сравнивается с заданным  значением G(t). На основании разности  этих величин E(t)=Y(t)-G(t) вырабатывается  регулирующее воздействие U(t). Величина  Е(t), называемая отклонением или  ошибкой системы регулирования, не должна превышать определенного  значения. Отличительной чертой  таких систем является их универсальность. Это качество проявляется в  том, что любое отклонение регулируемого  параметра от его заданного  значения вызывает появление  регулирующего воздействия независимо  от числа, вида и места приложения  возмущений. Одним регулирующим  воздействием часто достигается  удовлетворительная компенсация  нескольких возмущений. Это особенно  важно, когда объект регулирования  подвержен воздействию многочисленных  возмущений, влияние которых на  регулируемый параметр невозможно  предусмотреть. Однако, при управлении  сложными инерционными объектами  со значительным временем запаздывания, когда регулирующее воздействие  не может вызвать мгновенного  изменения регулируемого параметра, возникающее отклонение может  иметь недопустимо большое значение. Достоинства: простота реализации  закона управления (изменяется только  регулируемый параметр); не критичность  системы к изменению параметров  её элементов (коэффициенты усиления  элементов). Недостатки: недостаточное быстродействие. 
 

        2. По возмущению: 
 

Сущность принципа регулирования по возмущению состоит в том, что из различных возмущений, действующих в системе, выбирается одно, главное, на которое и реагирует АСР. В этом случае компенсируется влияние на регулируемый параметр только основного возмущающего воздействия и регулирующее воздействие вырабатывается в системе в зависимости от результатов измерения основного возмущения, действующего на объект.  

          Этот принцип часто называют регулирование по нагрузке, так как при поддержании, например, постоянного напряжения генератора регулирующее воздействие зависит от изменения нагрузки.

 Достоинство этого  принципа регулирования заключается  в том, что влияние возмущающего  воздействия может быть устранено  до того, как произойдет отклонение  регулируемого параметра, так как  регулятор действует на объект  без запаздывания по отношению  к возникшему возмущению.

 

3. Комбинированное  регулирование.

 

Каждый из рассмотренных принципов регулирования – по отклонению и по возмущению – имеет свои недостатки и достоинства. Поэтому для создания автоматических систем высокой точности обычно используют принцип комбинированного регулирования, сочетающий в себе оба принципа регулирования. В комбинированной системе воздействие по нагрузке обеспечивает немедленное возникновение регулирующего воздействия в соответствии с изменением нагрузки, а воздействие по отклонению используется для устранения погрешностей, возникающих в результате неточности регулирования по нагрузке.

 

 

 

 

 

4. Принцип адаптации.

 

 Этот принцип используется  в самонастраивающихся автоматических  системах регулирования. Особенностью  таких систем является то, что  они автоматически приспосабливаются  к изменяющимся условиям работы  и автоматически выбирают оптимальный  закон регулирования.

Ранее рассмотренные автоматические системы с неизменной настройкой регулируемого параметра, в которых процесс регулирования сводится к ликвидации отклонения E(t) не могут обеспечить нормальную работу объекта регулирования, если его статические и динамические характеристики изменяются во времени. В таких случаях необходимо изменять или настройку регулятора, или характеристики и параметры отдельных элементов системы, или схему соединения элементов, или даже вводить в действие новые элементы.

В блок адаптации (БА) поступает информация с ОУ о его текущем состоянии и на основании этого, вычисляются новые, оптимальные параметры регулятора.

 

4. По математическому описанию:

 

 а) Линейные (описываемые  линейными уравнениями);

б) Нелинейные (описываемые НЛУ).

 

В реальности линейных систем практически не существует – каждая система имеет какую-нибудь нелинейность. Но для решения инженерных задач иногда некоторые свойства АСР бывают, несущественны, так как мало проявляются или лежат за пределами области нормального функционирования системы. В таких случаях можно считать систему линейной. Есть системы существенно нелинейные – такие, что их нельзя линеаризировать (привести к линейному виду) без потери существенных свойств.

 

5. По наличию установившейся ошибки:

 

- статические и астатические.

 Статическая (установившаяся) ошибка возникает из-за различных причин. Например, трения, электросопротивления и других потерь энергии в системе и выражается в том, что режим работы системы уже остановился, а некоторое рассогласование остаётся. Системы, не имеющие статической ошибки, называются астатическими. Статические системы подразделяются на:

 
- грубые:           e  ³ 5% 

- средней точности:    1%  £  e £ 5%

           - точные:   e  < 1%. 
 
                      6. По виду используемой энергии:

 

- Электрические;

-  Гидравлические;

          - Пневматические; 
 
Некоторые системы используют комбинации этих видов энергии.

 

7. По характеру обработки информации  и выдачи управляющих воздействий:

 

     а) непрерывные (аналоговые). 

На вход поступает (t), обрабатывается по ПИ-закону и вырабатываетсяeаналоговая величина  управляющее воздействие, поступающее на ОУ в виде аналогового напряжения. Непрерывные АСР характеризуются наличием аналоговых сигналов на входе и выходе регулятора, а сам регулятор построен на аналоговых элементах (электронные усилители, ЭМУ, МУ). 
 
         б) дискретные

       – системы, в которых хотя бы одна из координат подвергается квантованию. Квантование бывает по времени, по уровню, по времени и по уровню.

Рассмотрим пример. Пусть имеется некоторый непрерывный, аналоговый сигнал. Через промежуток времени равный tк, он называется шагом квантования по времени, производится преобразование входной информации. Аналоговый сигнал может принимать любые значения, цифровой же сигнал может принимать только одно из набора жёстко фиксированных значений. При этом выбирается число, ближе всего лежащее на оси к истинной величине аналогового сигнала. Это и есть квантование по уровню.

 
 Дискретные системы подразделяются на:

 Импульсные – системы, в которых координата подвергается квантованию по времени – это преобразование непрерывного сигнала в последовательность импульсов с фиксированным или переменным периодом дискретности. (Первые применяются для управления тиристорными преобразователями).

В импульсных системах в зависимости от сигнала на выходе ИЭ выделяют три вида модуляции:

1. Амплитудно-импульсная  модуляция (АИМ).

t=const (длительность импульса), A=var (амплитуда), T=const (период) 

2. Широтно-импульсная  модуляция (ШИМ).

t= var (длительность импульса), A= const (амплитуда), T=const (период)

 
3. Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ).

t=const (длительность импульса), A= const (амплитуда), T= var (период)

 

Релейные – системы, в которых координата подвергается квантованию по уровню – это преобразование непрерывного сигнала в ступенчатый с фиксированными уровнями ступеней - характеризуются наличием в регуляторе релейного элемента. Релейные СУ достаточно просты, но обладают невысокой точностью регулирования. Таковы системы поддержания уровня, t0, давления и так далее. 
 
           Цифровые – в этих системах регуляторы построены на базе средств вычислительной техники, в основном микропроцессорной. Входная информация квантуется по времени и (или) уровню. Полученные при помощи АЦП цифровые коды обрабатываются ЭВМ, в результате тоже получаются численные значения управляющего воздействия, преобразуемые в аналоговый управляющий сигнал ЦАП. 
 
            Сама природа управляющей вычислительной машины дискретна. Регулируемая координата Y(t) в строго определенные моменты времени t1,t2,t3 вводится в цифровую вычислительную машину (происходит квантование по времени, используется амплитудно-импульсная модуляция), поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), где происходит преобразование аналоговой величины в цифровой код (квантование по уровню). Цифровой код поступает в блок обработки, где происходит реализация алгоритма управления. Полученное расчетное значение поступает на ЦАП, с выхода которого прикладывается к объекту управления. Эти системы являются самыми современными, позволяют обеспечить высокую надежность, качество управления, удобно в использовании.

 

Рассмотрим понятие систем автоматического регулирования применимо к авиационной отрасли.

 

Системы автоматического регулирования – это совокупность элементов, обеспечивающих без участия человека изменение в определенной последовательности какого-либо параметра (температуры, скорости, давления, напряжения и т.п.)

Замкнутые и разомкнутые системы автоматического регулирования.

Замкнутые системы.

Принципы действия замкнутой САР и закономерности процесса регулирования рассмотрим на примере перехода от ручного управления курсом самолета к автоматическому.

При ручном управлении заданное значение курса Ψз заранее известно и его необходимо выдерживать. Во время полета под действием возмущающих сил и моментов самолет отклоняется от заданного курса. Чтобы иметь возможность вмешиваться в процесс полета, пилот должен иметь сведения о фактическом курсе Ψ, затем сравнить его с заданным Ψз . В зависимости от разницы между ними Ψз - Ψ , учитывая и значение разницы (отклонения),и знака, пилот воздействует на рулевые органы, возвращая самолет на заданный курс.