Автоматизация металлургических машин и механизмов

Таким образом, можно сделать вывод, что возмущенное и не возмущенное движения системы полностью определяют процесс регулирования.

Возмущающие воздействия на автоматическую систему представляют собой непрерывно изменяющиеся функции времени, и поэтому при исследовании работы системы не представляется возможным практически учесть действительный характер изменения этих воздействий. В связи с этим принято рассматривать реакцию автоматической системы на возмущающие воздействия в форме одной из типовых функций, которую можно описать математически. К числу таких типовых функций (воздействий) относятся (рис. 9):

Ш единичный скачок (единичное ступенчатое воздействие);

Ш единичный импульс (под этой функцией понимается импульс бесконечно большой величины и бесконечно малой продолжительности);

Ш гармоническое (синусоидальное) воздействие;

Ш воздействие, непрерывно возрастающее с постоянной скоростью.

Рисунок 9 - Типовые внешние воздействия. а - единичный скачок; б-единичный импульс; в - гармонический сигнал; г - непрерывно возрастающий сигнал; д - характеристики входного и выходного сигналов системы

При анализе автоматических систем основным возмущающим воздействием принимают гармоническое колебание, которое выражается зависимостью

x(t) = A sin щt(1)

При этом на вход системы подается сигнал, изменяющийся по синусоидальному закону с некоторой частотой и амплитудой. Выходная величина этой системы также представляет собой непрерывно колеблющийся сигнал определенной амплитуды и частоты (см. рис. 9, д). Как следует из рис. 9, частота выходного сигнала совпадает с частотой входного и обе величины входа и выхода имеют синусоидальную форму. Максимальное же значение амплитуд в зависимости от реакции системы различное и сдвинуто во времени.

2.2 Функциональные схемы АСР

Функциональные схемы АСР (от лат. functio - исполнение, деятельность, внешнее проявление свойств какого-либо объекта или элемента в данной системе отношений) отражают взаимодействие устройств, узлов и элементов автоматики в процессе их работы. Графически (рис. 10) отдельные элементы (части) АСР изображают в виде прямоугольников, образующих последовательную замкнутую цепь: выходная величина предшествующего элемента служит входной величиной последующего. Все элементы АСР обладают однонаправленностью действия: они воздействуют лишь на последующий элемент системы. Например: температура объекта регулирования определяет сопротивление термометра, измеряющего эту температуру, но изменение его сопротивления не влияет на температуру объекта. Регулируемая величина воздействует на измерительное устройство регулятора прямого действия, а измерительное устройство на регулируемую величину практически не влияет. Свойство направленности действия называют свойством детектирования. Оно заключается в том, что сигнал проходит только от входа к выходу элемента, т. е. каждый последующий элемент не оказывает влияния на предыдущий.

Внутреннее содержание каждого элемента на функциональной схеме не конкретизируется, а функциональное назначение обозначается условными буквенными символами.

Под функцией каждого элемента понимают как основные функции автоматического регулирующего устройства - получение информации, ее переработка, формирование закона регулирования и т. п., так и более узкие - передача сигналов, их сравнение, преобразование формы представления информации и др.

Участок цепи от точки приложения входного воздействия до точки съема выходного сигнала (в направлении распространения сигнала) называется прямой (основной) цепью.

Пути передачи воздействий между элементами АСР изображают линиями со стрелками в направлении передачи воздействий.

Рисунок 10 - Пример функциональной схемы АСР: У - усилитель; х - выходные величины; g(t)- задающее воздействие; ЗУ - задающее устройство; СУ - суммирующее устройство; ИУ - измерительное устройство; ИМ - исполнительный механизм; РО - регулирующий орган; ОР - объект регулирования; F - возмущения, е - управляющее (регулирующее) воздействие

Простейшую составную часть АСР или автоматического устройства, отображающую путь и направление передачи воздействия между элементами автоматической системы, называют связью системы.

Связь АСР, образуемая основной цепью воздействия между элементами (участками) этой цепи, называется основной связью.

Любая АСР должна иметь, по крайней мере, одну обратную связь, которая служит для сравнения действительного закона изменения регулируемого параметра управления технологического процесса с заданным законом. Такого рода обратная связь, направленная с выхода системы к ее входу, называется главной обратной связью.

Связь в АСР, образующая путь передачи воздействий в дополнение к основной цепи воздействий или какому-либо участку (параллельный контур, который охватывает один или несколько элементов основной цепи), называется дополнительной (местной) связью.

Дополнительная (местная) связь называется прямой, если проходящий по ней сигнал суммируется с основным сигналом на выходе группы элементов основной цепи, охваченных этой связью.

Дополнительная (местная) связь называется обратной, если проходящий по ней сигнал подается с выхода группы элементов основной цепи, охваченных этой связью, на их вход.

Обратная связь называется положительной, если проходящий по ней сигнал складывается с основным сигналом на входе группы элементов, охваченных этой связью, и отрицательной, если этот сигнал вычитается из основного сигнала.

Поскольку в АСР регулирующее воздействие образуется вследствие отклонения регулируемой величины (выход системы) от ее заданного значения (вход системы), то главная обратная связь всегда является отрицательной.

Обратная связь называется жесткой, если передаваемое этой связью воздействие зависит только от выходной величины (регулируемого параметра) и не зависит от времени.

Обратная связь называется гибкой, если она действует только во время переходного процесса.

Сущность действия обратной связи рассмотрим на конкретных примерах.

На рис. 11 показан регулятор с включенной жесткой обратной связью. Он отличается от регулятора, изображенного на рис. 8, тем, что на золотник 3 через рычаг 2 передается дополнительно выключающее воздействие от штока 1 поршня цилиндра усилителя. При увеличении числа оборотов чувствительный элемент регулятора переместит золотник вверх, в результате чего масло начнет поступать в верхнюю полость цилиндра. Одновременно шток 1 воздействует на рычаг 2, который, поворачиваясь вокруг точки а, перемещает золотник в сторону, противоположную его первоначальному смещению. Движение поршня прекратится тогда, когда золотник 3 вернется в исходное среднее положение. При этом ход поршня будет пропорционален смещению шарнира в чувствительного элемента (т. е. отклонению регулируемого параметра выходной величины). Таким образом, каждому значению выходной величины будет соответствовать совершенно определенное положение поршня, а, следовательно, и регулирующего органа. Поэтому регуляторы с жесткой обратной связью поддерживают не постоянное значение регулируемого параметра, а изменяющееся в некоторых пределах и зависящее от нагрузки регулируемого объекта.

На рис. 12 показано устройство регулятора с гибкой обратной связью, который отличается от регулятора, приведенного на рис. 14, тем, что на линии обратной связи от поршня силового цилиндра к золотнику установлено изодромное устройство. Оно в данном случае состоит из пружины 4, цилиндра 5, заполненного маслом, полости которого по обе стороны поршня 6 сообщаются через дроссель 7. При движении силового поршня, например, как в предыдущем примере, вниз масло не успевает перетекать через дроссель 7. Поэтому поршень 6, жестко закрепленный на штоке 1 вместе с корпусом цилиндра 5, также начинает перемещаться вниз, воздействуя на рычаг 2, который, поворачиваясь вокруг точки а, перемещает золотник в сторону, противоположную его первоначальному смещению. После того, как золотник 3 вернется в среднее положение, перемещение силового поршня, а, следовательно, и регулирующего органа, прекратится. Но цилиндр 5 под действием растянутой пружины 4 будет по мере перетекания масла через дроссель 7 медленно перемещаться до тех пор, пока рычаг 2 не займет исходного положения, при котором пружина 4 не сжата и не растянута, а золотник 3 перекрывает оба канала. При этом точки б и а рычага займут также исходное положение и, следовательно, в положение равновесия возвращается и точка в, что свидетельствует о возвращении к старому значению регулируемой величины. Таким образом, гибкая обратная связь не вызывает появления остаточного отклонения регулируемой величины.

Рисунок 11 - Пример регулятора с жесткой обратной связью

Рисунок 12 - Пример регулятора с гибкой обратной связью

Описанные выше устройства обратной связи могут быть реализованы пневматическими и электрическими устройствами. Например, если сигнал обратной связи ввести через контур, содержащий сопротивление R и емкость С, то в течение переходных режимов этот сигнал будет наряду с сигналом отклонения воздействовать на последующие элементы системы, однако при неподвижном состоянии регулирующего органа, в каком бы положении он не находился, сигнал обратной связи по мере заряда конденсатора С будет затухать и в установившемся режиме будет всегда равен нулю.

Суммирующие устройства на функциональных схемах изображают в виде окружности, разделенной внутри на четыре равных сектора. Сектор, на который подается величина с обратным (отрицательным) знаком, затемняют, или перед соответствующим входом ставят знак «минус». Рассмотрим пример функциональной схемы АСР, представленной на рис. 10.

На объект регулирования (О.Р.), находящийся под влиянием внешнего возмущающего воздействия F, поступает регулирующее воздействие х_Р, являющееся выходной величиной управляющей части системы, состоящей из задающего устройства ЗУ, суммирующего устройства СУ, усилителя У, измерительного устройства ИУ, исполнительного механизма ИМ. Эти элементы можно назвать регулятором системы (на рис. 10 эта часть системы обведена штриховой линией). Контур замыкается подачей в суммирующее устройство по цепи главной обратной связи регулируемой (выходной) величины х_вых. Задающее воздействие g(t) от задающего устройства (ЗУ) поступает на вход системы. Величина этого задающего воздействия может быть постоянной, когда необходимо поддерживать постоянное значение регулируемой величины х_вых, или же изменяться по заданному закону, когда в технологическом процессе по этому закону должна изменяться и регулируемая величина. Затем регулируемая величина сравнивается в суммирующем устройстве с задающей величиной (зачерненный сектор на рис. 10 в графическом изображении суммирующего устройства означает, что передаваемое по каналу главной обратной связи воздействие подается с обратным знаком). При значении регулируемой величины, равном заданному, на вход усилителя системы сигнал не поступает и система находится в равновесии. При неравенстве этих величин сигнал ошибки (рассогласования), представляющий собой разность между сигналом задающего воздействия и сигналом главной обратной связи е = g - х_вых, поступает на вход усилителя системы, которая, изменяя положение регулирующего органа РО, реагирует на это отклонение таким образом, чтобы сигнал ошибки сводился к нулю или к достаточно малой величине.

2.3 Структурные схемы АСР

При исследованиях и расчетах АСР исходят из математического описания физических процессов, происходящих в них. Обычно это описание бывает представлено в виде системы дифференциальных уравнений, которые выражают связь между переменными величинами и их производными и определяют сущность происходящих в системе процессов независимо от принципов ее действия, назначения и конструкции. Решив такое дифференциальное уравнение АСР, можно найти характер изменения регулируемой переменной в переходных и установившихся режимах при определенных задающих и возмущающих воздействиях.

Для упрощения задачи нахождения дифференциального уравнения АСР в целом исследуемую систему разбивают на отдельные части - звенья направленного действия, которые, как указывалось ранее, обладают свойствами передачи сигнала только в одном направлении (свойствами детектирования): от входа к выходу и в которых переходные процессы описываются достаточно простыми дифференциальными уравнениями.

Совокупность этих звеньев совместно с линиями связи, характеризующими их взаимодействие, образует структурную схему автоматической системы регулирования (от лат. structura - строение, расположение, порядок).

Таким образом, структурной схемой АСР называется графическое представление математической модели системы в соединении звеньев, в котором каждой математической операции преобразования сигнала соответствует определенное звено, условно обозначаемое в виде прямоугольника с указанием входных и выходных величин, а также уравнения или передаточной функции этого звена. Уравнение (передаточную функцию) записывают внутри или вне прямоугольника (рис. 13).

Суммирующие звенья изображают так же, как и на функциональных схемах.

Рисунок 13 - Пример структурной схемы АСР

Общим между функциональными и структурными схемами является то, что те, и другие отражают процесс передачи и переработки информации в контуре автоматической системы регулирования.

Однако между ними существует и четкое различие: функциональные схемы дают характеристику системы по составу входящих в нее элементов, которые рассматриваются с точки зрения их назначения, т.е. выполняемых ими функций; структурные схемы, состоящие из звеньев направленного действия, математически описывают динамические свойства системы.

2.4 Классификация автоматических систем регулирования

Автоматические системы в зависимости от выполняемых функций подразделяют на три вида: системы автоматического контроля, разомкнутые системы автоматического управления, замкнутые автоматические системы регулирования (рис. 14).

Рисунок 14 - Блок схемы различных автоматических систем в зависимости от выполняемых функций

а - блок-схема системы автоматического контроля (1 - контролируемый объект; 2 - чувствительный элемент; 3 - усилитель; 4 - измерительный элемент; 5 - задающий элемент; 6 - регистрирующий прибор);

б - блок-схема разомкнутой системы автоматического управления (1 - задающий элемент; 2 - чувствительный элемент; 3 - программный задатчик; 4 - усилитель; 5 - исполнительный элемент; 6 - управляемый объект);

в - блок-схема замкнутой автоматической системы регулирования (1 - задающий элемент; 2 - элемент сравнения; 3 - преобразующий элемент; 4 - исполнительный элемент; 5 - объект регулирования; 6 - чувствительный элемент)

Система автоматического контроля (рис. 14, а) служит для автоматического измерения какой-либо величины или ее отклонения от заданного значения. Сигнал от исследуемого объекта 1 поступает на чувствительный элемент 2, где преобразуется в удобную для индикаций или дальнейшей передачи форму. Через усилитель 3 преобразованный сигнал поступает на измерительное устройство 4, где сравнивается с заданием (задающий элемент 5). Результат сравнения передается на регистрирующее устройство 6. Если система служит для измерения абсолютной величины, то задающее устройство отсутствует.

Разомкнутая система автоматического управления предназначена автоматически выполнять операций, задаваемые внешними источниками воздействий (задающими устройствами) на входе этой системы в заранее заданные моменты времени или при достижении заранее выбранных условий без контроля выходных величин объекта регулирования. Таким образом, процесс управления не зависит от его конечного результата. Обобщенная блок-схема такой системы представлена на рис. 14, б. Задающее устройство 1 или программный задатчик 3 выдает воздействия (команды) на вход системы. Чувствительный элемент 2 преобразует это воздействие в физическую величину, удобную для передачи. Усилитель 4 поднимает энергетический уровень сигнала, выдаваемого чувствительным элементом. Исполнительное устройство 5 в соответствии с этим сигналом изменяет входную величину объекта регулирования. На выходе такой системы отсутствует контроль за исполнением задающего воздействия, т. е. входное воздействие не зависит от хода процесса на выходе, даже если фактический результат процесса управления не соответствует желаемому. В таких системах путь, по которому идут сигналы управления, разомкнут. Для того чтобы разомкнутая система могла нормально функционировать, необходимо ее тщательно отградуировать, т. е. должна быть точно известна связь между значениями задающего воздействия и выходной величины объекта регулирования. Эта связь должна сохраняться при износе деталей механизмов объекта регулирования и системы управления, изменении условий их работы и т. п., что на практике бывает весьма редко. Из-за этого применение подобного рода систем управления ограничено.



Рисунок 15 - Пример системы автоматического правления уровнем по возмущению. 1 - приток жидкости; 2 - сток жидкости; 3 - управляющее устройство - регулятор соотношения расходов жидкости; 4 - измерение уровня жидкости

Разновидностью разомкнутой системы автоматического управления является разомкнутая система управления по возмущению, в которой управляющее воздействие вводится при изменениях внутри самой системы - при появлении возмущающего воздействия, чтобы компенсировать его.

На рис. 15 показан пример такой системы. Регулируемой величиной объекта является уровень жидкости, возмущающими воздействиями - изменения расходов жидкости при изменении давления в системе трубопроводов. При нарушении равенства расходов в приточном и сливном трубопроводах регулятор соотношения воздействует на регулирующий орган, чтобы предотвратить отклонение уровня от заданного значения.

Результаты процесса управления в системах подобного рода также не контролируются - значения выходной величины в систему управления не вводятся. Неизбежные неточности работы регулятора в такой системе приводят к отклонению выходной величины от заданного значения, которое накапливается во времени. Поэтому системы управления по возмущению не могут надежно поддерживать постоянное значение выходной величины объекта регулирования, что ограничивает их применение. Следует отметить, что принцип управления по возмущению используют в замкнутых автоматических системах регулирования для улучшения качества регулирования (их дополняют подобными системами или устройствами компенсации влияния отдельных возмущающих воздействий).

Разомкнутость системы, заключающаяся в том, что выход не оказывает никакого влияния на вход системы, является характерной особенностью ручного регулирования. В системе ручного регулирования уровня (см. рис. 5, а) величина уровня жидкости в баке (выходное воздействие) не оказывает без вмешательства оператора никакого влияния на положение регулирующего вентиля на трубопроводе питательной воды (входное воздействие). Состояние входа системы приводится в соответствие с состоянием ее выхода благодаря действиям оператора. Таким образом, только вследствие работы оператора система регулирования замыкается.

Если замкнуть выход разомкнутой системы (контрольно-измерительные приборы) со входом (источник воздействия) таким образом, чтобы контрольно-измерительные приборы (измерив некоторые величины, характеризующие определенный процесс в объекте регулирования) передавали результаты измерения в блок сравнения, который служил бы источником воздействия на систему (причем величина этого воздействия будет зависеть от того, насколько отличаются измеренные величины в объекте регулирования от требуемых значений), то возникает замкнутая автоматическая система регулирования.

Замкнутая автоматическая система регулирования (рис. 14, в) предназначена для автоматического поддержания постоянства одной или нескольких регулируемых величин (регулируемых параметров), характеризующих производственный процесс или изменения этих величин по заданному закону. В замкнутой автоматической системе регулирования выходная величина объекта непрерывно измеряется и автоматически сравнивается с заданным значением для определения отклонения от задания. Это отклонение является входным воздействием автоматического регулятора. В схеме, приведенной на рис. 14, в, нижняя ветвь представляет собой канал, по которому в автоматическую систему регулирования передается информация о состоянии объекта регулирования в процессе влияния на него возмущающего и задающего воздействий. В зависимости от величины и знака отклонения регулируемого и заданного параметров автоматический регулятор вырабатывает по определенному закону регулирующее воздействие таким образом, чтобы это отклонение автоматически сводилось к нулю или достаточно малой величине.

Практически регулятор изменяет положение регулирующего органа на входе объекта регулирования (ОР) или непосредственно, или с помощью исполнительного механизма.

Рассмотрим пример замкнутой автоматической системы регулирования (рис. 16).

Методическая печь отапливается природным газом, сжигаемым в двухпроводных горелках, к которым подводится воздух от специальных вентиляторов.

Образующиеся продукты сгорания удаляются из рабочего пространства печи за счет тяги дымовой трубы или дымососа. Давление в рабочем пространстве печи - одна из выходных величин объекта регулирования, характеризующая гидравлический режим печи.



Рисунок 16 - Автоматическая система регулирования давления в рабочем пространстве методической печи

При любом нарушении равновесия между количествами газа и воздуха, поступающими на отопление печи, и количеством удаляемых из печи продуктов сгорания, регулируемая величина (давление) изменяется, отклоняясь от требуемого значения. Колебания давления газа или воздуха, изменение их подачи, случайные изменения положения регулирующих органов и другие причины, которые могут нарушить равновесие, являются возмущающими воздействиями. Регулирующим воздействием служит тяга, изменяя которую всегда можно восстановить равновесие, установить требуемое давление в рабочем пространстве печи. Таким образом, замкнутая автоматическая система регулирования является системой управления по отклонению регулируемой величины.

Автоматическая система с замкнутой цепью воздействия, в которой управляющее (регулирующее) воздействие вырабатывается в результате сравнения истинного значения управляемой (регулируемой) величины с заданным ее значением, называется автоматической системой регулирования (АСР). Очевидно, что в замкнутой АСР имеется полная взаимозависимость работы всех элементов системы друг от друга.

Современные АСР представляют собой сложные комплексы взаимодействующих друг с другом технических устройств и элементов, которые работают на различных физических принципах (механических, электрических, гидравлических, пневматических) и обладают различным конструктивным исполнением и техническими характеристиками. Физическая природа регулируемой величины, устройство и назначение объекта регулирования также могут быть различные.

При изучении теории автоматического регулирования основное внимание уделяется не техническим свойствам отдельных элементов, а функциям, выполняемым ими в АСР, характеру связей между ними, математическому описанию происходящих в них физических процессов. Наглядное представление об этом дают функциональные и структурные схемы АСР.

2.5 Классификационные признаки АСР

Ввиду большого разнообразия АСР, которые различаются функциональными возможностями, принципами построения и способом конструктивной реализации, не представляет возможным дать законченную классификацию автоматических систем регулирования. Поэтому рассмотрим лишь основные, наиболее характерные классификационные признаки этих систем.

Первый признак, определяющий принцип построения АСР, - это наличие в них явно выраженной главной обратной связи. По этому признаку системы разделяют на замкнутые и разомкнутые.

Второй признак, определяющий назначение систем или характер изменения управляющего воздействия в них. Иными словами - характер алгоритма функционирования АСР.

Алгоритм - предписание, определяющее содержание и последовательность операций, переводящих исходные данные в искомый результат. Алгоритм обладает свойствами: а) определенности; б) массовости; в) результативности.

Под определенностью алгоритма понимают невозможность его двоякого выполнения, не оставляющую место для произвола.

Под массовостью - возможность применения алгоритма для различных вариантов исходных данных, т. е. возможность решать любую задачу некоторого класса.

Под результативностью - существование таких вариантов исходных данных, для которых, после конечного числа элементарных операций, выполнение алгоритма заканчивается и дает искомый результат, и отсутствие таких вариантов, для которых процесс выполнения алгоритма приводит к неправильному результату.

Существенными особенностями алгоритма являются также дискретность определяемого им процесса, т. е. его расчленение на отдельные последовательные шаги, а также простота операций, выполняемых на каждом шагу.

По характеру алгоритма функционирования АСР подразделяют на системы автоматической стабилизации, системы программного регулирования и следящие системы.

Системами автоматической стабилизации (иногда их называют просто автоматическими системами регулирования) называются АСР, предназначенные для поддержания постоянного значения регулируемой величины с допустимой ошибкой регулирования независимо от действующих возмущений. Пример такой АСР представлен на рис. 2, б. В черной металлургии системами автоматической стабилизации являются АСР, предназначенные для регулирования температуры, давления, расхода, уровня, химического состава и т. п., например температуры рабочего пространства нагревательной печи прокатного стана, уровня металла в кристаллизаторе МНЛЗ.

Системами программного регулирования называются АСР, автоматически изменяющие регулируемую величину в соответствии с определенным заранее заданным законом, являющимся функцией времени. Необходимые изменения регулируемой величины во времени обеспечиваются в таких системах изменением задающего воздействия по строго определенной программе. Примером такой АСР может являться система регулирования температурного режима в термических печах при термической обработке металла по программе: нагрев до заданной температуры за определенное время, выдержка в течение заданного времени при этой температуре, охлаждение до определенной температуры в течение заданного времени и т. д.

Следящими системами называются системы, изменяющие регулируемую величину по произвольному закону в зависимости от неизвестной заранее какой-либо другой переменной величины на входе автоматической системы. В этих системах регулируемая (ведомая) величина с той или иной степенью точности воспроизводит в определенном масштабе все изменения входной (ведущей) величины, т. е. «следит» за ней.

В следящих АСР ведущая величина является задающей величиной.

Примером следящей системы является АСР газосмесительной станции, позволяющей получать газовую смесь заданного соотношения для топливо-потребляющих агрегатов.

На рис. 17 представлена схема так называемой двухдроссельной газосмесительной станции. При изменении потребления смешанного газа изменяется его давление, вследствие чего благодаря воздействию комплекта аппаратуры 1а - 1д изменяется положение дросселя А на газопроводе ведущего газа. Заданное соотношение газов в смеси поддерживают с помощью схемы регулирования соотношений двух величин. Расходы газов измеряют с помощью диафрагм 2а-За, дифманометров 2б и 3б и вторичных приборов 2в и 3в. Заданное значение величины соотношения устанавливают задатчиком 3д. Разность между текущим и заданным значениями соотношения поступает на вход регулятора 3г, который через усилитель 3е воздействует на исполнительный механизм 3ж, связанный с регулирующим дросселем Б на газопроводе ведомого газа.

Рисунок 17 - Пример следящей системы (двухдроссельная АСР газосмесительной станции)

Следует отметить, что подобное разделение АСР в определенной мере условно, так как нередко функции одних и тех же систем при различных режимах работы не одинаковы, кроме того, системы всех трех видов испытывают внешние возмущающие воздействия.

Третий признак - по способности АСР поддерживать с определенной степенью точности значение регулируемой величины. По этому признаку различают статические и астатические системы.

Статической АСР называют такую систему, в которой принципиально невозможно поддерживать одно и то же значение регулируемой величины во всех установившихся режимах при сохранении неизменной настройки системы. Остаточную ошибку в такой системе называют статизмом. При статическом регулировании величина регулирующего воздействия однозначно связана с отклонением регулируемого параметра от заданного значения. Таким образом, равновесие системы для разных нагрузок наступает при различных значениях регулируемого параметра, лежащих в заранее заданных пределах (под равновесным состоянием понимают установившееся состояние АСР, характеризующееся тем, что регулируемая величина сохраняет постоянное значение, если возмущение отсутствует и регулирующий орган не перемещается). Пример статической АСР приведен на рис. 5, б. Таким образом, статической АСР является система, в которой при постоянном внешнем воздействии устанавливается отличное от нуля значение ошибки регулирования.

Астатической АСР называется такая система, в которой по окончании переходного процесса регулируемая величина принимает всегда одно и то же значение и не зависит от величины возмущающего воздействия. Таким образом, в астатической системе статизм всегда равен нулю. Астатическая система находится в равновесии при любом заданном значении регулируемого параметра. Пример астатической АСР приведен на рис. 8. Равновесие такой системы возможно лишь при вполне определенном значении регулируемой величины - угловой скорости. Таким образом, при любой нагрузке установившееся значение регулируемого параметра будет одинаковым. С учетом определения статической АСР можно сказать, что астатической АСР является система, в которой при постоянном воздействии значение ошибки регулирования устанавливается равным нулю.

Рассмотрим статические и астатические АСР по отношению к задающему и возмущающему воздействиям.

По отношению к задающему (управляющему) воздействию систему принято называть статической, если при любом постоянном задающем воздействии остаточная ошибка регулирования не равна нулю и зависит от значения приложенного воздействия; в том случае, если при любом постоянном задающем воздействии остаточная ошибка регулирования равна нулю, система называется астатической.

По отношению к возмущающему воздействию систему называют статической, если при постоянной величине возмущающего воздействия регулируемая величина будет иметь в установившемся состоянии некоторое отклонение от заданного значения (при этом величина остаточного отклонения регулируемой величины зависит от величины приложенного возмущающего воздействия); если же при различных постоянных значениях возмущающего воздействия по окончании переходного процесса отклонение регулируемой величины от заданного значения будет равно нулю, то такая система по отношению к возмущающим воздействиям называется астатической.

Четвертый признак - по виду функциональной связи между входными и выходными величинами элементов, входящих в АСР. По этому признаку различают системы непрерывного и прерывистого (дискретного) действия.

АСР непрерывного действия - системы, в которых непрерывному изменению входных величин всех элементов соответствует непрерывное изменение выходных величин этих элементов.

При этом закон изменения выходной величины во времени может быть произвольным, в зависимости от формы изменения входной величины и от вида уравнения динамики (или характеристики) элемента (рис. 18). Пример АСР приведен на рис. 16 .

АСР прерывистого (дискретного) действия называют системы, в которых непрерывному изменению входной величины хотя бы одного элемента, входящего в состав системы, соответствует прерывистое (дискретное) изменение выходной величины этого элемента.

В АСР дискретного действия при непрерывном изменении входной величины соответствующие элементы формируют изменение выходной величины в виде скачка или в виде импульса. В зависимости от технических особенностей дискретные АСР подразделяют на системы с релейным элементом (или релейные) и импульсные.



Рисунок 18 - Примеры непрерывных характеристик

Релейной АСР называют такую систему, в которой хотя бы в одном элементе при непрерывном изменении входной величины выходная величина в некоторых точках процесса, зависящих от значения входной величины, изменяется скачком. Такой элемент называется релейным элементом.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 19 - Характеристики релейных элементов. a - без зоны неоднозначности; б - с зоной неоднозначности Д; в - с зоной неоднозначности Д и гистерезисом h

Отличительной особенностью релейного элемента является то, что сигнал на его выходе х_вых остается постоянным до определенного значения х_вх входного сигнала, а затем резко (скачком) изменяется, при этом выходная величина не зависит от величины входного сигнала.

Примеры релейных характеристик представлены на рис. 19. Знак выходного сигнала релейного элемента определяется знаком входного сигнала.

В релейных АСР используют контактные электромагнитные реле различных типов, а также бесконтактные устройства дискретного действия. Так как в релейной системе в процессе отработки выходной величины основная связь периодически разрывается, то принято говорить, что такие системы работают по принципу «включено - выключено», или «ДА - НЕТ».

На рис. 20 представлен пример двухпозиционной релейной АСР.

В объект регулирования - бак 1 по трубе 2 поступает вода, а по трубе 10 она подается потребителю. На поверхности жидкости находится поплавок 6, который штоком 5 соединен с подвижным электроконтактом 7. Контакт 7 при перемещении может замыкаться на неподвижные контакты 8 и 9.



Рисунок 20 - Принципиальная схема релейной АСР уровня

При повышении уровня воды относительно заданного значения контакт 7 замкнется на контакт 8 и под напряжением окажется обмотка Б исполнительного механизма 4.

Регулирующий орган 3 закрывается. При понижении уровня относительно заданного значения контакт 7 замыкается на контакт 9 и под напряжением окажется обмотка А; регулирующий орган 3 открывается.

Импульсные АСР являются системами периодического дискретного действия, в которых непрерывный сигнал управления через определенные равные промежутки времени принудительно прерывается особым устройством, которое называется импульсным элементом.

В таких АСР импульсный элемент замыкает систему лишь на малые промежутки времени с определенным интервалом между импульсами. Иными словами импульсный элемент преобразует непрерывную входную величину в последовательность модулированных импульсов, т. е. в импульсы, параметры которых изменяются в соответствии с изменением величины на входе импульсного элемента.

Импульсы, модулируемые этим элементом, характеризуются величиной модулируемого параметра импульса (амплитудой, длительностью, периодом повторения, полярностью, сдвигом или частотой). Параметры импульсов определяют только в некоторые дискретные равноотстоящие моменты времени, которые называют моментами съема:

t = nT_p(2)

технологический металлургический автоматический контроль

где T_p - интервал регулирования или период следования импульсов;

п - целое положительное число (п = 1, 2, 3...)

Рисунок 21 - Примеры входных и выходных сигналов импульсных элементов различных типов

а - сигнал на входе;

б - сигнал на выходе импульсного элемента с амплитудно-импульсной модуляцией второго рода;

в - сигнал на выходе импульсного элемента с широтно-импульсной модуляцией;

г - сигнал на выходе импульсного элемента с время-импульсной модуляцией,

д - сигнал на выходе импульсного элемента с амплитудно-импульсной модуляцией первого рода

В зависимости от того, какой из модулированных параметров импульсов является переменным, различают четыре типа импульсных элементов:

Ш импульсный элемент первого типа, преобразующий входной сигнал (рис. 21, а) в последовательность импульсов одинаковой длительности, амплитуды (высоты) которых пропорциональны значениям входного сигнала в моменты съема (рис. 21, б); АСР с такими элементами называют системами с амплитудно-импульсной модуляцией второго рода;

Ш импульсный элемент второго типа преобразует входной сигнал в последовательность импульсов с постоянной амплитудой, длительность ф которых изменяется пропорционально значениям входного сигнала в моменты съема; АСР подобного рода называют системами с широтно-импульсной модуляцией (рис. 21, в);

Ш импульсный элемент третьего типа преобразует входной сигнал в последовательность импульсов с постоянными амплитудой, длительностью и относительным сдвигом ф импульса. Таким образом, в системах с подобным элементом длительность и амплитуда импульсов не зависят от входного сигнала, а временной сдвиг (фаза) или частота повторения импульсов изменяется пропорционально значениям входного сигнала в моменты съема (рис. 21, г); АСР подобного рода называют системами с временной импульсной модуляцией;

Ш импульсный элемент четвертого типа преобразует входной сигнал в последовательность импульсов одинаковой длительности, амплитуда и фаза которых изменяется в соответствии с законом изменения скорости входного сигнала во времени (рис. 21, д); такие АСР называют системами с амплитудно-импульсной модуляцией первого рода.

В импульсных АСР используются механические, электромеханические и электронные импульсные элементы.

Рисунок 22 - Принципиальная схема импульсной АСР температуры

Принципиальная схема импульсной АСР температуры приведена на рис. 22, а. Необходимо поддерживать постоянную температуру объекта, охлаждаемого воздухом. Регулирующим органом являются шторки, угловое положение 4 которых определяет собой количество подаваемого воздуха.

Измерительное устройство регулятора состоит из термометра сопротивления 1, включенного в качестве одного из плеч измерительного моста 2. Мост 2 настраивают таким образом, что при заданной температуре, которую надо поддерживать неизменной, ток в диагонали моста отсутствует и стрелка 3 неподвижна. Таким образом, перемещение s стрелки 3 пропорционально отклонению температуры от заданного значения.

Стрелка скользит по потенциометру 4, управляющему через усилитель работой двигателя 5, который через редуктор 6 вращает шторки.

На рис. 22, б изображен вид на стрелку измерительного моста с торца (с носика). Носик стрелки движется вправо и влево свободно, не прикасаясь к обмотке потенциометра поэтому электрическая цепь, связанная с усилителем, разорвана. Над стрелкой помещается падающая дужка ПД, опирающаяся на эксцентрик, свободно вращающийся с постоянной угловой скоростью щ. Под действием равномерно вращающегося эксцентрика падающая дужка периодически прижимает стрелку 3 на короткие промежутки времени к обмотке потенциометра 4. Таким образом, при непрерывном перемещении s стрелки напряжение U, питающее цепь якоря двигателя, будет подаваться с потенциометра в виде коротких импульсов.

Постоянный период чередования импульсов Т задается системе принудительно извне и определяется значением угловой скорости щ вращения эксцентрика независимым от данной АСР приводом. Длительность импульсов ф также постоянна.

Поскольку перемещение s стрелки 3 пропорционально отклонению регулируемой температуры, то таким образом получается импульсная зависимость перемещения регулирующего органа от отклонения регулируемой величины.

Всякое устройство, которое осуществляет преобразование непрерывной величины (в нашем случае s) в дискретную импульсную величину (U), т.е. в последовательность импульсов с постоянным периодом, называют импульсным звеном или импульсным элементом. В рассмотренном примере было показано механическое импульсное звено с электрическим выходом. Вообще в других АСР оно может реализовываться и чисто электрическими или электронными устройствами, особенно в тех случаях, когда требуется малый период Т чередования импульсов.

Основной смысл введения импульсного звена в АСР заключается в освобождении измерительного устройства регулятора от нагрузки на его выходе. В самом деле, если бы в регулирующем устройстве, представленном на рис. 22, отсутствовала бы падающая дужка, то стрелка 3 измерительного моста имела бы значительную механическую нагрузку за счет трения об обмотку потенциометра. Это существенно снизило бы чувствительность измерительной системы, а значит, и всего регулятора к малым отклонениям регулируемой величины. Таким образом, введение импульсного звена позволяет применять в конструкции регулятора обычные стрелочные приборы, без ухудшения точности измерения отклонения регулируемой величины, т. е. улучшает реакцию регулятора на это отклонение с обеспечением в то же время достаточной мощности регулирующего воздействия на объект. Кроме того, при импульсном регулировании уменьшается расход энергии на привод регулирующего органа, а также имеется возможность подключать к одному и тому же прибору несколько последовательно действующих чувствительных элементов и исполнительных механизмов, что обеспечивает компактность сложных АСР. К дискретным АСР относятся также системы с цифровыми вычислительными устройствами, которые выдают результаты вычисления на выходе дискретно, через определенные промежутки времени, необходимые для производства вычислений в виде чисел для отдельных дискретных числовых значений входной величины.

На рис. 23 приведена функциональная схема цифровой АСР, в контур которой включена электронно-вычислительная машина ЭВМ, которая выполняет операции над входным дискретным сигналом. Для согласования непрерывной части системы с ЭВМ или для перехода от непрерывной формы представления сигнала к цифровой применяют аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Для перехода от дискретного сигнала к непрерывному применяются цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). Остальные элементы этой системы - измерительное устройство ИУ, исполнительный элемент ИЭ, объект регулирования ОР - обычного исполнения и используют непрерывные сигналы.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 23 - Функциональная схема цифровой АСР

Темп работы вычислительного устройства подбирают таким образом, чтобы дискретность его действия не влияла на работу системы в целом, т.е. чтобы время операции вычисления (запаздывания) было небольшим, а частота следования управляющих импульсов была достаточно высокой. Учитывая высокий темп работы современных цифровых вычислительных устройств (по сравнению с инерционностью системы), в большинстве случаев можно проводить расчеты таких систем как непрерывных.

Пятый признак - по виду контролируемых изменений своих свойств: не приспосабливающиеся системы и приспосабливающиеся или адаптивные (от лат. adaptio - приспособление, термин заимствован из биологии, где адаптацией называется приспособление организма к изменяющейся среде с целью сохранения его жизнеспособности и жизнедеятельности). Адаптивные АСР предназначаются для работы в непрерывно изменяющихся условиях (изменении качества материалов, величины потерь, динамики объекта регулирования вследствие значительных изменений параметров объекта и т.п.), т. е. в тех случаях, когда описанные выше принципы управления по разомкнутому циклу, замкнутому циклу (с обратной связью) или компенсации возмущений из-за значительных изменений параметров объекта становятся не достаточными, а контуры системы управления с неизменной настройкой - не пригодными. Адаптивные системы в состоянии учитывать эти изменения и приспосабливаться к ним, они автоматически изменяют свои параметры - входные величины, задающие воздействия или даже структуру (поскольку изменять параметры объекта обычно технически трудно), чтобы во всех условиях удовлетворять определенным требованиям.

Адаптивную систему управления, в которой на основе информации о внешних воздействиях, динамических характеристиках объекта или системы, получаемой в процессе работы, осуществляется активное изменение параметров регулятора для обеспечения работы системы, принято называть самонастраивающейся системой (СНС).

Адаптивную систему управления, позволяющую оптимизировать систему и характеризующуюся наличием процесса формирования алгоритма управления, который связан не только с изменением параметров, но и с отысканием структуры регулятора, называют само организующейся системой (СОС).

СОС в своей первоначальной структуре представляет собой набор элементов, связанных между собой случайным образом. В дальнейшем при внешних возмущениях в таких системах образуются устойчивые отрицательные и положительные обратные связи.

СНС обычно включает, как минимум, два контура - основной контур, реализующий один из «обычных» принципов управления (по разомкнутому циклу, замкнутому циклу с обратной связью или компенсации возмущений), и контур адаптации, который называют контуром настройки параметров. Пример функциональной схемы СНС с разомкнутым контуром адаптации представлен на рисунке 24, а. Основной контур, состоящий из объекта регулирования 1 и регулятора 2, представляет собой замкнутую АСР (АСР с обратной связью). В контур адаптации входит устройство, осуществляющее перестройку параметров, на вход которого подается только информация о внешней среде и воздействиях на объект. В рассматриваемом примере это управляющее воздействие со стороны регулятора U(t) и извне g(t), а также возмущающие воздействия f(t). В СНС с замкнутым контуром адаптации (см. рисунок 24, б), кроме этих воздействий (или вместо них), в устройство адаптации вводится информация о результатах регулирующих воздействий, т. е. о выходных координатах или о переменных состояниях объекта x(t).

Для СНС с разомкнутым контуром адаптации характерно более быстрое завершение процесса адаптации, однако их точность меньше точности, достигаемой в системах с замкнутым контуром.

Устройство адаптации оценивает характер изменения параметров и затем вырабатывает воздействие y(t) на перестройку параметров основного контура. Для этого устройству адаптации задается некоторая мера качества Q, которая в общем случае может быть функцией, зависящей от координат и параметров системы х, U, g, f, у, t.

Рисунок 24 - Самонастраивающиеся системы а, б - принципиальные схемы самонастраивающейся системы; в - принципиальная схема экстремальной системы; 1 - объект регулирования; 2- регулятор стабилизации; 3 - экстремальный регулятор

Обычно качество задается или в виде области, внутри которой должно находиться фактическое значение g, или в виде функции, экстремум которой требуется обеспечить в результате управления. Адаптивные системы, стремящиеся удержать значение Q в заданной области, называют системами со стабилизацией показателя качества. Например, системы, в которых задача адаптации сводится к обеспечению Q, не больше заданного (Q ? Q_зад). Системы, задача адаптации в которых сводится к обеспечению экстремума показателя качества (например, Q = Q_min), называют системами с оптимизацией показателя качества.

Требования этих двух задач означают минимальные затраты мощности при реализации оптимального закона управления, минимальное время переходных процессов в системе, независимость динамики управления от переменных параметров объекта управления и т. п.

В самонастраивающейся системе анализ состояния системы в конкретный момент времени не позволяет определить, какие именно изменения параметров необходимы для того, чтобы добиться требуемого результата. Для решения задачи необходимо накапливать информацию в процессе работы. Поэтому в таких системах обычно производится автоматический поиск необходимых значений переменных параметров системы. При автоматическом поиске сначала проводят пробное изменение параметров, затем анализируются результаты этого изменения и определяется направление рабочего изменения этих параметров, которое позволит получить требуемые характеристики системы.

Самонастраивающаяся автоматическая система регулирования, в которой регулирующие воздействия вырабатываются с помощью пробных воздействий автоматического регулирующего устройства на объект и анализа результатов пробных воздействий, называется поисковой системой (или АСР с пробными воздействиями).

К СНС с поиском и оптимизацией показателя качества относятся и системы экстремального регулирования.

Экстремальные системы находят и поддерживают такие значения своих регулирующих воздействий на объект регулирования, при которых некоторая регулируемая (выходная) величина системы Q, являющаяся функцией одной или нескольких входных величин, достигает наибольшего или наименьшего значения (экстремума). Эта функция зависит не только от контролируемых величин, но и от неконтролируемых параметров системы и времени t. Поэтому она не является постоянной и заранее известной.

Принципиальная схема системы экстремального регулирования приведена на рис. 24, в, б. Оптимизируемая величина Q является функцией регулируемой величины х; задача экстремальной системы заключается в поддержании Q = Q(x) =max. Если это требование не выполняется, то экстремальный регулятор 3 изменяет регулятору стабилизации 2 заданное значение регулируемой величины х_зад объекта регулирования таким образом, чтобы было достигнуто максимальное значение Q.

Так как характер экстремальной зависимости регулируемой величины заранее неизвестен, то экстремальные системы функционируют по принципу «автоматического поиска». Например, на вход объекта регулирования экстремальным регулятором подаются специальные пробные воздействия, анализируется реакция объекта на эти воздействия и в том случае, когда при определенных воздействиях регулируемая величина приближается к экстремуму, в этом направлении на объект подаются рабочие регулирующие воздействия. При переходе регулируемой величины через экстремум происходит реверс регулирующего воздействия, после чего система начинает совершать колебательные движения вокруг экстремума.

Пробное воздействие на переменные параметры может производиться непрерывно, так называемый «непрерывный поиск» (и тогда при достижении экстремума начинается «рыскание»), или периодически, причем при достижении экстремума пробные воздействия прекращаются.

На рис. 25, а приведен пример экстремальной системы регулирования сжигания топлива в термической печи. Система включает три контура регулирования: стабилизации температуры в рабочем пространстве печи (регулятор P_t); регулирования соотношения расходов топлива и воздуха (регулятор Р_с); оптимизации (экстремальный регулятор ЭР).

...