Управление техническими системами

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ЮЗГУ

Кафедра "МТиО"

специальность - 151001 "Технология машиностроения"

Курс лекций

по дисциплине:

"Управление техническими системами"

Курск

2012



Содержание

Введение. Основные термины и определения

Раздел 1. Автоматизированные системы управления

1.1 Системы автоматического управления и следящие системы

1.2 Системы автоматического регулирования

1.3 Системы автоматического контроля. Автоматизация контрольных измерений в машиностроении

Раздел 2. Измерительные преобразователи систем (датчики)

2.1 Классификация и характеристики датчиков

2.2 Схемы включения датчиков

Раздел 3. Системы управления технологическим оборудованием

3.1 Классификация систем управления оборудованием

3.2 Системы числового программного управления промышленным оборудованием

3.3 Микропроцессорные устройства программного управления

3.4 Системы адаптивного программного управления

3.5 Гибкие производственные системы и гибкие производственные модули

Раздел 4. Диагностирование технического состояния систем управления

4.1 Классификация способов и средств диагностирования технического состояния систем управления

4.2 Диагностирование технического состояния систем программного управления

Список литературы



Введение. Основные термины и определения

1. Задачи и содержание предмета

2. Состояние и перспективы развития систем управления

3. Примеры систем автоматического управления

1. Идея создания устройств, которые бы работали без участия человека, возникла ещё в глубокой древности. Но автоматические устройства создавались лишь для увеселительных целей. В Древней Греции появилось слово аутомас (самодействующий), от которого произошло название области науки и техники об автоматических устройствах - автоматика.

История развития автоматики:

Развитие автоматических устройств промышленного назначения началось с XVII века, когда изобрели первые турбины и паровые машины, где были использованы парораспределительный механизм, регулятор уровня воды в котле, регулятор частоты вращения вала и т.д.

Кроме того, заметно продвинулось изобретение автоматических устройств с появлением часовых механизмов, после чего было создано множество игрушек, имитировавших движение.

В 1765 г, русский ученый И.И.Ползунов сконструировал и изготовил первый в мире автоматический регулятор для поддержания уровня воды в паровом котле.

Через 20 лет Джеймс Уатт создает автоматический регулятор частоты вращения вала паровой машины.

В XIX в. с развитием электрической промышленности стали изобретаться и электрические автоматические устройства, такие как эл. регулятор частоты вращения вала паровой машины, который изобретен в 1854 г. К.И.Константиновым - русским механиком и электриком.

В 1834 академик Б.С.Якоби создал электродвигатель.

В 1850 г. Э.Х. Ленц создал осциллограф.

В 1865 г. А.П. Давыдов создал следящий привод

В 1874г. В.Н. Чиколев изобрел электронный регулятор со следящей системой.

В 1876 г. вышла монография И. А. Вышеградского "Об общей теории регуляторов", которая положила начало автоматического управления и регулирования.

Далее автоматическое регулирование развивалось с помощью трудов А.М.Ляпунова и авиатора Н.Е.Жуковского.

В тот же период чех А.Стодола исследовал устойчивость регулирования гидро- и паровых турбин, а немецкий математик А.Гурвиц решил общую задачу о критерии устойчивости линейных систем автоматического регулирования.

В 1940-х гг. наука автоматика окончательно сформировало свои понятия и каноны.

Особенно большой скачек произошел с изобретением ЭВМ, прототип которой был создан ещё Б.Паскалем в виде машины, выполняющей арифметические операции.

В настоящее время автоматические системы широко применяются в всех областях деятельности человека - в промышленности, на транспорте, в устройствах связи, при научных исследованиях и др. Во многих отраслях техники возможность автоматизации управления определяет дальнейшее их развитие.

Автоматизация - высшая ступень механизации производственных процессов - существенно улучшает условия труда. Техническое устройство, выполняющее операции управления без непосредственного участия человека, называется автоматическим устройством.

Автоматизация облегчает труд рабочего, позволяет находиться на безопасном расстоянии от производственного процесса, и, кроме того, способствует увеличению долговечности оборудования благодаря снижению перегрузов, обеспечивает эксплуатацию машин в рациональных режимах при оптимальных расходах электроэнергии, предотвращает возникновение аварийных ситуаций, облегчает поиск неисправностей и этим сокращает простои.

С автоматизацией производственных процессов мы сталкиваемся повсеместно: при осуществлении погрузочно-разгрузочных работ, при контроле производства и качества какой - либо продукции, при проведении анализирования деятельности производства.

Задача автоматизации состоит в осуществлении автоматического управления различными техническими процессами.

Автоматическое управление в технике, совокупность действий, направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта без непосредственного участия человека в соответствии с заданной целью управления. Автоматическое управление широко применяется во многих технических и биотехнических системах для выполнения операций, не осуществимых человеком в связи с необходимостью переработки большого количества информации в ограниченное время, для повышения производительности труда, качества и точности регулирования, освобождения человека от управления системами, функционирующими в условиях относительной недоступности или опасных для здоровья

В различных технологических и производственных процессах величины, их характеризующие, должны удовлетворять определенным условиям. Создание условий, гарантирующих требуемое протекание любого процесса, называется управлением, т.е. под управлением понимают такую организацию того или иного процесса, которая обеспечивает достижение определенной цели.

Цель управления тем или иным образом связывается с изменением во времени регулируемой (управляемой) величины -- выходной величины управляемого объекта. Машина, аппарат, агрегат, комплекс машин или система, в которых протекает процесс, подлежащий управлению, называются объектами управления, т.е. это совокупность технических средств, выполняющих данный процесс.

Для осуществления цели управления, с учётом особенностей управляемых объектов различной природы и специфики отдельных классов систем, организуется воздействие на управляющие органы объекта -- управляющее воздействие. Управляющим - называют воздействие, подаваемое на объект с целью изменить ход процесса в соответствии с заданием. Если управление осуществляется без участия человека, то оно называется автоматическим, а если с участием человека - ручным. Оно предназначено также для компенсации эффекта внешних возмущающих воздействий, стремящихся нарушить требуемое поведение регулируемой величины. Управляющее воздействие вырабатывается устройством управления (УУ).

Совокупность автоматического управляющего устройства и объекта управления, связанных и взаимодействующих между собой в соответствии с алгоритмом управления, называют системой автоматического управления (СА У).

В теории автоматического управления каждый элемент блок-схемы называют элементарным звеном, реализующим элементарную операцию и характеризующимся математическим выражением. Различают два типа блок-схем: структурные и функциональные, имеющие одинаковое или аналогичное графическое изображение, но различную сущность.

Структурной блок-схемой называют схему, в которой элементарные звенья, обозначенные буквами, соответствующими названиям отдельных электрических устройств (блоков), рассматривают с точки зрения динамики системы и описывают математическими (алгебраическими, дифференциальными, интегральными) уравнениями - передаточными функциями.

Функциональной блок-схемой называют схему с обозначением составных звеньев (функциональных блоков) по роду выполняемых функций.

На рисунке 1 приведена обобщенная структурная схема АСУ.

Рисунок 1 - Обобщенная структурная схема АСУ

В ней: x(t) - управляемая величина - физическая величина, характеризующая состояние объекта.

Часто объект управления имеет несколько управляемых величин x1(t), x2(t)… xn(t), тогда говорят об n-мерном векторе состояния объекта x(t) с перечисленными выше компонентами.

Объект управления в этом случае называют многомерным.

Примерами управляемых величин в электрической системе являются: ток, напряжение, мощность, частота вращения и т.д.

zо(t), zд(t) - соответственно основное (действующее на объект управления) и дополнительное (действующее на устройство управления) возмущающие воздействия.

Примерами основного возмущающего воздействия zо(t) являются изменение нагрузки синхронного генератора, температуры охлаждающей его среды и т.п., а дополнительного возмущающего воздействия zд(t) - изменение условий охлаждения УУ, нестабильность напряжения источников питания УУ и т.п.

y(t) - управляющее воздействие.

Управляющее воздействие вырабатывается в управляющем устройстве в соответствии с алгоритмом управления в зависимости от истинного и предписанного значений управляемой величины.

xк(t) = x(t)

- контрольное воздействие - информация об истинном значении управляемой величины.

xз(t) - задающее воздействие - предписанное (желаемое) значение управляемой величины.

Воздействия z(t) и xз(t) являются внешними для рассматриваемой системы, а воздействия xк(t) и y(t) - внутренними. Передача внешних и внутренних воздействий происходит через элементы АСУ, которые в совокупности образуют несколько цепей воздействий. На рисунке 3 можно указать, например, цепи воздействий от величины xз(t) к величине y(t) и далее к x(t), от zо(t) к x(t).

Значение управляемой величины, которое следует поддерживать в данный момент времени для правильного протекания техпроцесса, называют предписанным (заданным) значением, а фактическое, т.е. измеряемое значение действительным (текущим). Разницу между заданным и действительными значениями называют рассогласованием.

Сигналы - это совокупность потоков энергии или вещества, поступающих в объект управления или выходящих из него, возмущающие и управляющие воздействия, а также регулируемые параметрами.

По направлению различают входные и выходные сигналы объекта управления. Так возмущающие и управляющие воздействия будут входными сигналами для ОУ; регулируемый параметр всегда принимают за выходной сигнал объекта управления, даже если он физически не выходит за пределы объекта (например температура в топке котла, уровень вещества в бункере, напряжение на обмотках электродвигателя)

Технологические параметры - это физико-химические величины, характеризующие состояние технологического процесса в объекте управления (например, температура, давление, скорость вращения и др.)

Регулируемый параметр - это технологический параметр, значением которого управляют с помощью специальных технических средств. Число регулируемых параметров, как правило, значительно меньше общего числа технологических параметров.

2. Автоматизация является одним из главных направлений научно-технического прогресса и важным средством повышения эффективности производства. Современное промышленное производство характеризуется ростом масштабов и усложнением технологических процессов, увеличением единичной мощности отдельных агрегатов и установок, применением интенсивных, высокоскоростных режимов, близких к критическим, повышением требований к качеству продукции, безопасности персонала, сохранности оборудования и окружающей среды. Экономичное, надежное и безопасное функционирование сложных технических объектов может быть обеспечено с помощью лишь самых совершенных технических средств, разработка, изготовление, монтаж, наладка и эксплуатация которых немыслимы без знания ТАУ.

Современными тенденциями в автоматизации производства являются:

- широкое применение ЭВМ для управления;

- создание машин и оборудования со встроенными микропроцессорными средствами измерения, контроля и регулирования;

- переход на децентрализованные (распределенные) структуры управления с микроЭВМ;

- внедрение человеко-машинных систем;

- использование высоконадежных технических средств;

- автоматизированное проектирование систем управления.

3. Рассмотрим в качестве примера системы автоматического управления технологический процесс - регулирование температуры в электропечи для закаливания металла. Для реализации этого процесса электропечь снабжается управляющим (или регулирующим) органом, с помощью которого можно управлять процессом закаливания - изменять температуру в соответствии с заданным законом.

Представим данный процесс с помощью функциональной схемы (Рисунок 2).

Рисунок 2 - Функциональная схема технологического процесса закаливания металла в электропечи

Данная система поддерживает необходимый режим, т.е. изменение температуры y(t) в электропечи по заданному закону. Для обеспечения требуемого процесса электропечь снабжается двумя элементами: термопарой, с выхода которой получают электрической напряжение x(t), пропорциональное температуре в электропечи, и реостатом, с помощью которого меняется сопротивление в цепи ее нагрева.

Предусмотрен прибор, на котором фиксируется реальная температура в электропечи. Отклонение реальной температуры от заданной не должно превышать допустимого значения е(t). В системе имеется обратная связь.

При автоматическом управлении процессом воздействие u(t) на управляемый орган (реостат) осуществляет специальное управляющее устройство. Поскольку с выхода термопары получают сигнал очень небольшой мощности, в схему вводят промежуточное звено - усилитель мощности.

Сигнал y(t) (заданной температуры в печи) называют управляющим, сигнал x(t) (реальной температуры) - управляемой переменной, а систему, реализующую процесс закаливания - системой автоматического управления.

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

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3 - Принципиальная схема автоматического регулирования уровня жидкости

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

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

Для повышения точности регулирования наряду с сигналом е(t) используется сигнал Gп, 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)= hз;

сигнал на выходе системы (уровень жидкости)

x(t) = h(t);

сигнал возмущения (расхода жидкости)

u(t)= Gр(t).



Раздел 1. Автоматизированные системы управления

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) ? xз = 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) ? xз(t) = fп(t) [1.2]

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

x(t) ? xз(t) = fс(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 xз(t).

Такое управление, осуществляемое с целью поддержания x(t) ? xз(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) = Ay [ xз(t) ] [1.4]

Чаще всего оператор Аy устанавливает пропорциональную связь между задающим воздействием xз(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) = Ay [ xз(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) = Ay [ ¦Е(t) ], [1.6]

где

¦Е(t) = xз(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) = Aз [ ¦Е(t) ] + Aв [ 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.

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 Yz.

Yz=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

Yz(t)=Fz(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:

Yz(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) = Ау[ xз(t), x(t), zд(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) = Ао[ y(t), zо(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 бвх. Сюда же от объекта управления (ОУ), связанного с выходным валом системы, поступает значение угла обработки бвых. В результате сравнения этих величин на выходе элемента сравнения появляется рассогласование

?=бвх- бвых

Сигнал рассогласования с выхода элемента сравнения поступает на преобразователь (Пр), в котором угол ? 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 бвых 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.

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 хр, которое является выходной величиной автоматического регулятора (АР), представляющего собой совокупность элементов. В автоматический регулятор по цепи главной обратной связи (ОСГ) поступает регулируемая величина хвых. Входная величина хвх с задатчика З поступает на элемент сравнения (ЭС). Сигнал ошибки, представляющий собой разность входной величины хвх и сигнала главной обратной связи хос

(Дх=хвх-хос

) поступает на усилитель У, где усиливается в К раз и воздействует на исполнительный элемент (ИЭ), выходной сигнал хр 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.

2) Закон изменения регулируемой величины в системах автоматического регулирования: системы стабилизации, программного регулирования и следящие. Системы стабилизации предназначены для поддержания постоянного значения регулируемой величины. В этих системах задающее воздействие не изменяется во времени.

Системы программного регулирования предназначены для изменения регулируемой величины по известному закону в функции времени или какой-либо другой величины. Задающее воздействие называют программой регулирования. Следящие системы предназначены для изменения регулируемой величины по заранее неизвестному закону. Задающее воздействие представляет собой случайную функцию времени.

3) Способность САР поддерживать с определенной степенью точности значение регулируемой величины: статические и астатические.

Статической системой автоматического регулирования называют такую систему, в которой принципиально невозможно поддерживать одно и то же значение регулируемого параметра при условии, что задающее воздействие системы остается неизменным. Остаточную ошибку в такой системе называют статизмом.

Астатической системой автоматического регулирования называют такую систему, в которой в установившемся режиме регулируемый параметр принимает всегда одно и то же значение и не зависит от значения возмущающего воздействия на объект регулирования. В астатической системе статизм всегда равен нулю.

4) Функциональная связь между входными и выходными величинами элементов, входящих в состав системы автоматического регулирования: непрерывные и дискретные. Непрерывной системой автоматического регулирования называют систему, в которой непрерывному изменению входных величин элементов соответствует непрерывное изменение выходных величин этих эле-ментов. Дискретной системой автоматического регулирования называют систему, в которой непрерывному изменению входной величины хотя бы одного элемента, входящего в состав системы, соответствует дискретное изменение выходной величины этого элемента.

3. При изучении динамических свойств систем целесообразно рассматривать отдельные ее элементы только с точки зрения их динамических свойств независимо от функциональных преобразований и конструктивных форм исполнения. Одинаковыми динамическими свойствами могут обладать различные элементы независимо от их физической природы. По этому признаку в цепях регулирования принято выделять отдельные элементы или группы элементов, которые называют динамическими звеньями.

Динамическим звеном называют часть системы автоматического регулирования, переходный процесс которой описывается дифференциальным уравнением определенного вида. Динамическим звеном может быть элемент, совокупность элементов и вся система автоматического регулирования в целом.

Графически динамическое звено изображается в виде прямоугольника, внутри которого вписывается выражение передаточной функции W (р), а направление прохождения информации изображается стрелками. Входной и выходной сигналы в динамическом звене могут иметь различную физическую природу.

В теории автоматического регулирования можно выделить следующие типовые динамические звенья - безынерционное (пропорциональное), апериодическое (инерционное), дифференцирующее, интегрирующее, колебательное.

Характеристики динамических звеньев

Зависимость выходной величины звена от входной в установившемся режиме называют статической характеристикой. Установившийся режим -- это такой режим, при котором входная и выходная величины остаются постоянными во времени. Статическую характеристику обычно изображают графически. Ее значения можно получать экспериментально или расчетным путем.

Системы автоматического регулирования, как правило, работают в неустановившемся, переходном режиме. Такой режим работы является следствием воздействия на систему непрерывно и случайно изменяющихся внешних возмущающих факторов, приводящих к непрерывному изменению входной и выходной величины во всех ее звеньях. Поэтому одной из важных задач является изучение поведения динамических звеньев в переходных режимах.

Динамической характеристикой звена называют зависимость выходной величины от входной в переходном процессе. Физическая задача определения выходной величины звена при изменяющемся входном сигнале сводится к решению дифференциального уравнения того или иного вида, описывающего протекание переходных процессов в звене.

Дифференциальные уравнения движения динамического звена. В линейных системах автоматического регулирования протекающие процессы описываются линейными дифференциальными уравнениями, решение которых значительно упрощается с использованием методов операционного исчисления.

Решение дифференциального уравнения методом операционного исчисления осуществляется в следующие три этапа;

1) переход от оригиналов к изображениям, т. е. переход от дифференциального уравнения к алгебраическому;

отыскание из полученного алгебраического уравнения неизвестной функции Y (р), т. е. решение алгебраического уравнения;

переход от найденного изображения Y (р) к оригиналу неизвестной функции.

Дифференциальные уравнения движения звеньев имеют следующий вид:

- безинерционное звено:

[1.13]

- апериодическое

: [1.14]

- дифференцирующее:



[1.15]

- интегрирующее:

[1.16]

- колебательное:

, [1.17]

где - постоянная времени звена,

- коэффициент демпфирования.

Передаточная функция. Передаточной функцией звена называется отношение изображения выходной величины звена к изображению входной величины при нулевых начальных условиях. Обозначим через W (р) передаточную функцию, а через X (р) и Y (р) - соответственно изображения входной и выходной величин, тогда:

W(p) = Y (р)/Х (р) [1.18]

Переходная характеристика. Переходной характеристикой (переходным процессом) динамического звена называют зависимость выходной величины от времени при подаче на вход звена ступенчатого сигнала единичной амплитуды. Следовательно, переходная характеристика отображает реакцию звена на единичный ступенчатый сигнал.

Частотные характеристики звеньев. Если на вход динамического звена поступает сигнал синусоидальной формы определенной частоты, то выходной сигнал имеет те же синусоидальную форму и частоту, но другие амплитуду и фазу. В связи с этим различают амплитудно-частотные и фазово-частотные характеристики звеньев.

Амплитудно-частотная характеристика выражает отношение амплитуды колебаний на выходе звена к амплитуде колебаний на его входе в зависимости от частоты выходного сигнала (Рисунок 9, а)

А (щ) = Авых/Авх = f (щ), [1.19]

где Авых - амплитуда выходного сигнала; Авх - амплитуда входного сигнала; щ - угловая частота.

...