Примеры систем автоматического управления

Основные понятия

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Теория автоматического управления - это наука, которая занимается задачами анализа и синтеза систем автоматического управления (САУ), независимо от их физической природы и конструктивных особенностей.

Задача анализа подразумевает рассмотрение вопросов устойчивости, точности, качества переходных процессов для спроектированной и даже функционирующей системы. При решении этой задачи, может оказаться, что функционирующая система обладает недостаточно высокими показателями качества управления, тогда возникает задача коррекции свойств уже существующей системы в рамках желаемых показателей процесса управления.

Задача синтеза подразумевает проектирование алгоритмов управляющих устройств под конкретный объект управления. При этом в техническом задании формулируются требования к точности и быстродействию системы, в соответствии с которыми выбираются критерии управления, такие как: оптимальное быстродействие, минимум среднеквадратичной ошибки (максимальная точность), минимальный расход энергии, интегральный критерий, учитывающий два предыдущих.

В зависимости от реализации управляющего устройства различают системы линейные, нелинейные и цифровые, принцип работы которых можно рассмотреть на примере системы регулирования температуры в печи.

Линейная аналоговая система регулирования температуры

В системе, представленной на рис.1.1, необходимо под­держивать постоянную температуру объекта (нагревательной печи), охлаждаемого вводимым на нагрев предметом 1.

Рис.1.1. Линейная аналоговая система регулирования температуры в нагревательной печи

Регулирующим органом является заслонка РО, угловое положение которой определяет интенсивность поступления топлива, например, газа, при сгорании которого происходит нагрев печи. Измерительным элементом является термосопротив­ление Rt, включенное в качестве одного из плеч компенсационного моста. Наличие подстраиваемого резистора Rзад позволяет настраивать мост так, что при задан­ной температуре, которую надо поддерживать неизменной, ток в диагонали моста отсутствует. При появлении возмущения f разность потенциалов в диагонали ав передается на усилитель напряжения УН, затем, благодаря усилителю мощности УМ, приводит в движение мотор М, который через понижающий редуктор РЕД перемещает заслонку таким образом, чтобы свести разбалансировку моста к нулю.

Нелинейная релейная система регулирования температуры

В качестве примера релейной системы рассмотрим систему регулирования температуры примерно той же структуры, как на рис. 1.1, но с тем отличием, что, вместо усилительных устройств, для управления работой привода заслонки в диагональ моста ав поставлено релейное звено — в данном случае поляризованное реле РП(рис.1.2). Его средний контакт в зависимости от знака тока в диагонали моста, т. е. в зависимости от знака отклонения регули­руемой температуры от заданной, замыкается с правым или левым контактом, включая ток либо в одну ОВ1, либо в другую ОВ2 обмотку возбуждения мотора, в резуль­тате чего получаем либо одно, либо другое направление движения заслонки на регулируемом объекте.

Релейные системы по самому принципу своему являются нелинейными [1], поскольку моменты времени, в которые происходит замыкание и размыкание системы, заранее неизвестны; они не задаются извне, а определяются внутренними свойствами самой системы (ее структу­рой и величинами ее параметров). К тому же их поведение, в отличие от линейных систем, зависит от начальных условий. Этим обусловливаются и основные специфические особенности динамики процессов регулирования в релейных системах [1]. В отличие от линейных, в них может возникать режим устойчивых автоколебаний.

Рис. 1.2. Релейная система регулирования температуры

Из сети в управляемую цепь контактов реле (рис. 1.2) подается постоянное напряжение Uс. Напряжение U, питающее двигатель, изменяется в зави­симости от величины тока I в диагонали моста по одному из законов, изображенных на рис. 1.3. Нейтральному положению среднего контакта реле соответствуетзначение U = 0 при малых величинах тока - I _ср < I < I _ср(рис. 1.3, а). При некоторой величине тока I = I _срреле срабатывает, включая напряжение U = Uс в одну из обмоток двигателя. При обратном направлении тока I, которое считается отрицательным, будет та же картина срабатывания при I = - I _ср, но напряжение Uс включается в другую обмотку возбуждения двигателя и задает ему другое направление вращения. Считая это направление отрицательным, напряжение питания мотора в этом случае следует отметить знаком минус: U = - Uс (рис. 1.3, а). Интервал - I _ср ≤ I ≤ I _ср, где U = 0, называется зоной нечувствительности реле. Каждая из представленных на рис. 1.3 зависимостей выходной величины реле U от входного тока I называются стати­ческой характеристикой реле.

Какизвестно, величина тока срабатывания реле I _ср не совпадает с величиной тока отпускания I_отп. При учете этого обстоятельства получаем петле­вую статическую характеристику (рис. 1.3, б). Эта петля аналогична той, которая получается при гистерезисных явлениях. Поэтому и в данном случае ее называют гистерезисной петлей. Если петля не широка, то ею часто пре­небрегают. Зона нечувствительности ре­ле, имеющая место в этих двух статическиххарактеристиках, по­лучается втом случае, когда средний контакт поляризованного реле обладает нейтральным положением. Если этого нет, то он будет сразу перескакивать из одного крайнего положения в другое (рис.1.3, в). Это — идеальная релейная характеристика без зоны нечувствительности и без петли. Реальная характеристикареле и в данном случае тоже будет иметь петлю (рис. 1.3, г). Это — характеристика реле с петлей без зоны нечувствительности, т. е. без среднего нейтрального положения.

Рис. 1.3. Статические характеристики реле

Какизвестно, величина тока срабатывания реле I _ср не совпадает с величиной тока отпускания I_отп. При учете этого обстоятельства получаем петле­вую статическую характеристику (рис. 1.3, б). Эта петля аналогична той, которая получается при гистерезисных явлениях. Поэтому и в данном случае ее называют гистерезисной петлей. Если петля не широка, то ею часто пре­небрегают. Зона нечувствительности ре­ле, имеющая место в этих двух статическиххарактеристиках, по­лучается втом случае, когда средний контакт поляризованного реле обладает нейтральным положением. Если этого нет, то он будет сразу перескакивать из одного крайнего положения в другое (рис.1.3, в). Это — идеальная релейная характеристика без зоны нечувствительности и без петли. Реальная характеристикареле и в данном случае тоже будет иметь петлю (рис. 1.3, г). Это — характеристика реле с петлей без зоны нечувствительности, т. е. без среднего нейтрального положения.

В зависимости от параметров элементов приведенной системы (рис. 1.2) и статической характеристики используемого реле регулируемая температура может либо точно поддерживаться, либо со статической ошибкой, либо с небольшими колебаниями вокруг её заданного значения, устранить которые можно введением дополнительных обратных связей или применением реле с другой статической характеристикой, например, без гистерезиса.

Достоинство релейных систем по сравнению с линейными заключается в малом потреблении энергии управляющим устройством, которое в рассмотренной системе представлено электромагнитным реле.

Цифровая система регулирования температуры

Цифровая система регулирования предполагает использование в качестве управляющего устройства микроконтроллера МК (рис. 1.4). Для ввода аналогового сигнала с выхода датчика-измерителя температуры в печи в микроконтроллер используется модуль ввода МВв, состоящий из нормализатора (устройства преобразования токового сигнала в напряжение со смещением, при необходимости, уровня последнего), усилителя напряжения с настраиваемым коэффициентом усиления, аппаратного RC-фильтра низких частот, обеспечивающего устранение радиопомех и помех промышленной частоты, и аналого-цифрового преобразователя. Преобразование цифрового кода в аналоговый сигнал осуществляет модуль вывода Мвыв. Им может быть цифроаналоговый ЦАП или широтно-импульсный ШИП преобразователи. ЦАП служит для преобразования кода управления, полученного в микроконтроллере, в аналоговый сигнал – напряжение, амплитуда которого пропорциональна коду управления в конкретные моменты времени. ШИП преобразует цифровой код в прямоугольные импульсы напряжения. Амплитуда этих импульсов постоянна, а ширина пропорциональна величине кода управления в конкретные моменты времени.

Рис. 1.4. Цифровая система регулирования температуры

Синхронизация операций ввода-вывода осуществляется встроенным в МК таймером. Чем меньше временной шаг дискретизации, тем больше цифровая система по своим свойствам приближается к аналоговой. Достоинство цифровой системы заключается в малой потребляемой мощности и, что самое важное, в возможности просто изменять алгоритм работы управляющего устройства путем перепрограммирования. Однако при недостаточной длине разрядной сетки в цифровой системе могут возникать автоколебания, влияющие на точность и устойчивость её работы.

Дата добавления: 2014-01-13