Основы теории автоматического управления

Управление техническим (технологическим) объектом обычно состоит в выработке команд, реализация которых обеспечивает целенаправленное изменение состояния объекта при соблюдении заданных требований и ограничений.

В зависимости от уровня автоматизации производства под объектом управления (ОБ) понимают отдельный аппарат, машину, агрегат, технологический участок, технологическую линию или цех.

Состояние объекта в отношении цели управления определяется текущими значениями некоторого числа контролируемых переменных, получивших название управляемых величин объекта.

Воздействия, получаемые объектом со стороны внешней среды и приводящие к нежелательным отклонениям управляемых величин, называют возмущающими воздействиями или возмущениями.

Изменение управляемых величин в соответствии с целью управления, например, поддержание их на неизменном уровне, осуществляется подачей на объект специально организованных управляющих воздействий.

Управление, осуществляемое без участия человека, называют автоматическим, а техническое устройство, выполняющее в этом случае функции управления, - автоматическим управляющим устройством или контроллером (регулятором). Объект управления и контроллер во взаимодействии друг с другом образуют систему автоматического управления.

В процессе работы контроллер получает текущую информацию о цели управления, о текущем состоянии объекта управления и среды его функционирования. В соответствии с полученной информацией контроллер формирует управляющие воздействия на объект таким образом, чтобы была достигнута цель управления.

Схематичное изображение отдельных элементов системы (обычно в виде прямоугольников) и воздействий в виде векторов, действующих на систему из внешней среды, называют структурной схемой системы автоматического управления. В отношении выполняемых элементами системы функций всякая система управления состоит, как минимум, из двух основных элементов: управляемого объекта, в котором протекает технический (технологический) процесс, и контроллера, осуществляющего функции управления этим процессом (рисунок 1а). Система, имеющая такую структуру, может быть работоспособной только при выполнении следующих условий: на объект управления не действуют никакие возмущения, математическая модель объекта известна для любого момента времени, требуемый алгоритм управления контроллера может быть реализован с необходимой точностью. Нарушение хотя бы одного из указанных условий приводит к отклонению управляемой величины от желаемого значения. Чтобы этого не происходило, вводят добавочный информационный канал, по которому контроллер получает информацию о действительном значении управляемой величины – обратную связь. Это позволяет при появлении отклонения управляемой величины от желаемого значения контроллеру осуществить дополнительное изменение управляющего воздействия на объект, чтобы ликвидировать появившееся отклонение (рисунок 1б).

Рис. 1 – Схемы простейших систем управления: а – прямое управление; б – управление с обратной связью (по отклонению), здесь:

х – задающее воздействие, х_р – управляющее воздействие регулирующего органа, у - управляемая величина, λ – возмущения; КН – контроллер, ОБ – объект управления.

Канал, по которому информация с выхода системы о значении управляемой величины передаётся на вход контроллера, называют каналом обратной связи. В системе с обратной связью есть замкнутый контур, поэтому такие системы называют замкнутыми системами управления (рис. 1 б). Соответственно систему управления без обратной связи называют разомкнутой системой управления (рис. 1 а).

В зависимости от характера сигнала задания (задающего воздействия) системы управления принято разделять на три вида:

1. Стабилизации, если задающее воздействие не изменяется во времени.

2. Программного управления, если задающее воздействие является заранее известной (детерминированной) функцией времени.

3. Зависимого управления, или следящей, если задающее воздействие является неопределённой в будущем функцией времени.

Управление называется непрерывным, если осуществляемое контроллером изменение управляющего воздействия происходит в непрерывной зависимости от изменения задающего воздействия и управляемой величины. В случае дискретного управления управляющее воздействие принимает лишь какое-нибудь одно из нескольких возможных значений (в пределе – только из двух значений) либо формируется контроллером в дискретные моменты времени.

Дискретное управление применяется тогда, когда алгоритм управления имеет характер логических условий; в этом случае управление называют логическим. Логическое управление чаще всего применяется в режимах пуска или остановки технического объекта, когда необходимо в определённой последовательности вводить в действие отдельные двигатели, механизмы, устройства. В практике при управлении сложными техническими (технологическими) объектами непрерывное и дискретное управления применяют совместно.

Как правило, из общей задачи управления выделяют задачу устранения влияния на достижение цели управления действующих на объект неконтролируемых возмущений, а также погрешности, возникшей при реализации в техническом устройстве алгоритма управления. Эта задача решается в структуре замкнутой части системы управления, которая называется подсистемой автоматического регулирования. В результате разделения функций системы управления контроллер представляет собой два соподчинённых блока:

- регулирующий блок, осуществляющий функции регулирования; его обычно называют автоматическим регулятором или просто регулятором;

- командный блок, вырабатывающий командное воздействие на регулятор таким образом, чтобы была достигнута цель управления.

Рассмотренная система управления (рис. 2) может считаться двухуровневой: первый (нижний) уровень образует подсистема регулирования; второй – командный блок, а в качестве объекта выступает подсистема регулирования. Такого рода двухуровневые (многоуровневые) структуры систем управления получили название иерархических структур систем управления.

Рис. 2 – Схема двухуровневой системы управления: КБ – командный блок, Р – регулятор, ОБ – объект регулирования, х – задание, u – управляющее воздействие, y – управляемая величина, х_р – регулирующее воздействие, ε_р – сигнал рассогласования, λ – возмущения.

Сигнал рассогласования является функцией времени: ε_р (t)= x(t) - y(t).

В предыдущих схемах систем управления неполнота информации о состоянии объекта обусловлена тем, что регулятор контролирует лишь отклонение регулируемой величины, как конечный результат действия различных возмущений на объект регулирования. Схема системы управления, в которой регулятор получает добавочную информацию об изменении возмущения λ_к(t), приведена на рис.3:

Рис. 3. – Схема системы автоматического регулирования с компенсацией возмущения или комбинированная.

Здесь обозначено КВ – блок компенсации возмущения, λ_к – компенсируемое возмущение. Такие системы получили название систем регулирования с компенсацией возмущений или комбинированные.

На рис. 4 приведен пример комбинированной системы автоматического регулирования ремпературы в мясной промышленности.

Системы с несколькими замкнутыми контурами называют многоконтурными. В практике автоматизации в ряде случаев приемлемое качество регулирования достигается и при отсутствии командного блока, т.е. x(t) = u(t). Системы с одним замкнутым контуром называют одноконтурными.

Рис. 4. Пример схемы комбинированной системы автоматического регулирования температуры в термокамере.

Объектом регулирования называется технологический аппарат, агрегат или машина, в которой осуществляется процесс регулирования одного или нескольких физических параметров. Регулируемой величиной или регулируемым параметром называется физическая величина (температура, давление, расход, уровень и т.д.), значение которой должно поддерживаться постоянным или изменяться по программе. Регулирующим воздействием называется воздействие на объект регулирования со стороны регулятора.

Объекты регулирования характеризуются тем, что через них непрерывно протекает вещество или энергия. Количества вещества или энергии, протекающей через объект или отбираемой от объекта, называется нагрузкой. Изменение нагрузки приводит к изменению регулируемого параметра; чтобы поддержать регулируемый параметр на заданном уровне, необходимо изменить приток вещества или энергии в объект в соответствии с новым значением нагрузки объекта.

Емкостью объекта регулирования называется количество содержащегося в нем в рассматриваемый момент времени вещества или энергии.

Наиболее неблагоприятные условия для регулирования имеют место при мгновенном (скачкообразном) нарушении баланса между приходом и расходом вещества или энергии в объекте регулирования. Кривая, которая показывает, как изменяется регулируемый параметр во времени t при скачкообразном возмущении (изменении ) и отключенном регуляторе, называется переходной характеристикой или кривой разгона объекта (рис. 5).

Рис. 5. Переходная характеристика одноемкостного объекта с

самовыравниванием

В некоторых объектах при нарушении равенства притока и расхода вещества или энергии регулируемый параметр принимает новое, постоянное значение без вмешательства извне. Такие объекты обладают свойством самовыравнивания, их называют статическими. У объектов, не обладающих свойствами самовыравнивания, любое изменение регулируемого параметра не оказывает обратного воздействия на приток или расход вещества (энергии), в результате чего параметр будет изменяться непрерывно, такие объекты называются астатическими.

Системы со средствами вычислительной (микропроцесорной) техники в контуре управления относятся к дискретным системам, которые функционируют в дискретном временном пространстве и определяются дискретными состояниями (рис.6) В такой системе, в отличие от непрерывной, управляющее устройство оперирует с дискретными числовыми последовательностями, получаемыми путем квантования по времени непрерывной функции (рис.7). Обычно в цифровых системах квантование производится с постоянным интервалом времени (интервалом дискретности Т). Преобразование непрерывного сигнала в числовую последовательность осуществляется в аналого-цифровом преобразователе (АЦП). В вычислительном устройстве (ВУ) определяется текущее значение управляющего воздействия, которое преобразуется затем из числового (дискретного) в непрерывный (аналоговый) сигнал с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Для управления технологическими процессами часто используют хорошо исследованные линейные законы регулирования, реализуемые в дискретной форме в ВУ. В этом случае определяют параметры настройки регуляторов, а также рассчитывают интервал дискретности. Управляющее вычислительное устройство (контроллер) одновременно обслуживает несколько контуров управления.

Рис. 6. Структурная схема САР с цифровым вычислительным устройством

Рис. 7. Графики непрерывной функции (аналоговый сигнал- а) и дискретной последовательности (б -).

Дата добавления: 2014-01-05