Статические и динамические характеристики

Общие сведения о системах управления. Структурная схема одноконтурной САР и принцип ее действия.

Система управления – совокупность средств, используемых для управления, персонал, принимающий непосредственное участие в управлении вместе с ТОУ. Эффективность работы системы управления оценивается критериями и показателями, имеющими технологический смысл (температура, качество, количество, себестоимость, выход целевого продукта и т. д.)

Задача, поставленная перед системой управления (постоянство температуры и т.д.) называется целью управления. Можно выделить следующие типы систем управления:

- ручного управления (функции управления выполняет оператор, дистанционное управление);

-автоматического контроля и ручного дистанционного управления (автоматизации подвергаются функции сбора информации);

- частичной автоматизации;

-комплексной автоматизации (кроме обеспечения режима нормальной эксплуатации, реализуются функции и процедуры пуска, останова, аварийного отключения ТОУ);

- полной автоматизации.

Структурная схема одноконтурной САУ промышленным объектом управления приведена на рис. 1.1. Основными элементами ее являются: АР - автоматический регулятор, УМ - усилитель мощности, ИМ - исполнительный механизм, РО - регулирующий орган, СОУ - собственно объект управления, ИПУ - измерительно-преобразовательное устройство, ЗУ - задающее устройство, ЭС - элемент сравнения.

Рис.1.1. Функциональная схема САУ.

Координаты (переменные) системы:

g(t) - задающее воздействие;

y(t) - управляемая (регулируемая) величина;

f(t) - возмущающее воздействие;

е(t) - рассогласование (ошибка);

u(t) - управляющее воздействие.

Характерной особенностью схемы является наличие ИПУ, обеспечивающего работу автоматического регулятора со стандартными значениями тока или напряжения. Измерительно-преобразовательное устройство выполняет следующие функции: преобразует нестандартный входной сигнал в стандартный выходной; осуществляет фильтрацию входного сигнала; осуществляет линеаризацию статической характеристики датчика с целью получения линейного диапазона.
Для расчетных целей исходную схему упрощают до схемы, включающей в себя только АР - регулятор, Э -элемент сравнения и ОУ - объект управления. Здесь под объектом управления уже понимается неизменяемая часть системы, состоящая из измерительно-преобразовательного устройства, исполнительного механизма, регулирующего органа и собственно объекта управления.

По количеству входных и выходных величин и их взаимосвязи объекты делятся на одномерные (один вход и один выход) и многомерные. Последние могут быть многосвязными - когда наблюдается взаимное влияние каналов регулирования друг на друга, либо несвязные - взаимосвязь между каналами которых мала.
Важным свойством также является поведение параметров системы во времени.
Если в период эксплуатации параметры являются неизменными, то система считается стационарной, в противном случае - нестационарной, например, переменный момент инерции электропривода, потокосцепление в двигателе и т.д. Кроме того, особо выделяются системы с распределенными параметрами, т.е. такие системы, которые содержат распределенные в пространстве элементы, например, длинные электрические линии и т.д.
В зависимости от основной цели задачи управления САР классифицируются следующим образом: системы стабилизации, система программного управления, следящие системы.
В системах стабилизации рабочий параметр объекта (регулируемая величина) поддерживается постоянным во времени при постоянном задании. В системах программного управления рабочий параметр объекта изменяется во времени по заранее известному закону, а соответствии с которым изменяется задание.
В следящих системах рабочий параметр объекта изменяется во времени по заранее неизвестному закону, который определяется каким-то внешним независимым процессом.
В зависимости от количества регулируемых величин системы могут быть одномерными (одна регулируемая величина) или многомерными (несколько регулируемых величин).
По свойствам ошибки (отклонения) в установившемся режиме различают статические и астатические системы. Свойство астатизма системы рассматривают по отношению к конкретному воздействию.

Система, в которой величина установившейся ошибки зависит то величины возмущения при постоянном задании называется статической по возмущению. Если установившаяся ошибка не зависит от величины возмущения, то система является астатической 1-ого порядка. Если установившаяся ошибка не зависит от первой производной возмущающего воздействия, то система является астатической 2-го порядка. Кроме того, различают статизм и астатизм по задающему воздействию. При этом возмущение считается постоянным и установившаяся ошибка рассматривается в зависимости от величины задающего воздействия.

Для повышения показателей работы САУ применяется одно- и много-контурное регулирование с использованием жестких (действуют как во время переходного процесса, так и в установившемся режиме) и гибких (действует только во время переходного процесса) обратных связей.

В зависимости от способов формирования управляющего воздействия различают следующие принципы управления: по возмущению; по отклонению управляемой величины от требуемого значения; принцип комбинированного управления.
Система с принципом управления по возмущению является разомкнутой. Принцип управления по отклонению применяется в замкнутых САУ. В технике широко применяют САУ с принципом комбинированного управления, сочетающим принцип управления по отклонению (корректирующее устройство КУ2) и по возмущению (корректирующее устройство КУ1). (рис.1.2) Благодаря такой структуре системы обладают следующими свойствами:

- с помощью компенсационных связей (КУ1) возможно достижение полной компенсации ошибок (инвариантности), вызываемых основными возмущающими и задающими воздействиями;

- наряду с возможностью компенсации ошибок от основных воздействий снижаются ошибки от второстепенных воздействий с помощью обратной связи (КУ2);

- при нарушении условий компенсации ошибка уменьшается замкнутой системой;
- благодаря наличию разомкнутых компенсационных каналов в комбинированной системе не так остро стоит проблема устойчивости, как в замкнутых САУ.

1. Статические и динамические модели. По признаку учета зависимости объекта моделирования от времени различают статические и динамические характеристики систем, отражаемые в соответствующих моделях. Статические модели (модели статики) отражают функцию системы - конкретное состояние реальной или проектируемой системы (своего рода его «мгновенную фотографию»)
Динамические модели (модели динамики) отражают функционирование системы - процесс изменения состояний реальной или проектируемой системы. Они показывают различия между состояниями, последовательность смены состояний и развитие событий с течением времени. Отличие статических и динамических моделей заключено в учете времени: в статике его как бы не существует, а в динамике это основной элемент.

2. Статические характеристики систем. В узком смысле к статической характеристике системы можно отнести ее структуру. Однако нас чаще будут интересовать свойства системы по преобразованию входов и выходов (т.е. функция системы) в установившемся режиме, когда отсутствуют изменения значений как входных, так и выходных переменных. Такие свойства определяются как статические характеристики.

Статическая характеристика - это зависимость между входной и выходной величинами в установившемся режиме. Статическая характеристика может быть представлена:
-математической моделью вида Y = F(X);

-графической моделью.

3. Динамические характеристики систем. Следующий шаг в исследовании систем состоит в том, чтобы понять и описать, как система «работает», что происходит с ней самой и с окружающей средой в ходе реализации поставленной цели. Для описаний функционирования системы используются динамические модели.
Для разных объектов и систем разработано большое количество динамических моделей, описывающих процессы с различной степенью детальности: от самого общего понятия динамики, движения вообще, до формальных математических моделей конкретных процессов типа уравнений движения в механике или волновых уравнений в теории поля. Свойства динамических систем определяют динамические характеристики.

Динамическая характеристика - это реакция системы на возмущение (зависимость изменения выходных переменных от входных и от времени). Динамическая характеристика может быть представлена:

-математической моделью в виде дифференциального уравнения (или уравнений) вида:

-математической моделью в виде решения дифференциального уравнения;

-графической моделью, состоящей из двух графиков: графика изменения возмущения во времени и графика реакции выхода на это возмущение - графической зависимости изменения выхода во времени.

Рис. 1. Статическая (а) и динамическая (б) характеристики

Дата добавления: 2015-04-24