3. Методические указания к самостоятельной работе и вопросы для самопроверки
3.1. Основные понятия автоматического управления. Схема функционирования сау
Автоматика – отрасль науки и техники, охватывающая теорию и принципы построения систем управления техническими процессами.
Технический процесс – это устройство или реализованный технологический процесс. Автоматика изучает системы управления, действующие без непосредственного участия человека.
Принята следующая классификация параметров технического процесса.
1. Входное воздействие.
2. Внешнее воздействие.
3. Внутренние параметры.
4. Выходные параметры (координаты выходного сигнала или управляемые величины).
В системе автоматического управления (САУ) изменение управляемой величины по определенному закону без вмешательства человека выполняет управляющее устройство (УУ). САУ состоит из УУ и объекта управления (ОУ).
САУ – это такая система, которая обеспечивает комплекс операций по управлению любым техническим, в том числе производственным процессом без участия человека с помощью автоматического управляющего устройства.
Каждый процесс управления в любой момент времени характеризуется одним или несколькими показателями, которые отображают физическое состояние объекта управления (ОУ). Эти показатели в процессе управления должны изменяться по некоторому закону или же оставаться низменными при изменяющихся внешних условиях и режимах работы УУ, их называют параметрами управления процесса. Таким образом, автоматическое управление - это совокупность воздействий, направленных на улучшение функционирования объекта управления. При этом управляющее воздействие выбирается из множества возможных воздействий на основе необходимой информации. Вопросы классификации САУ, варианты основные элементы и сигналы, а также схема функционирования САУ приведены в /1 , с. 5-17, 2, с.7-9/. При рассмотрении этих вопросов следует обратить внимание на выбор корректирующих звеньев системы управления.
Вопросы для самопроверки
1. Назовите основные задачи процесса управления.
2. Перечислите знания и умения, приобретаемые студентами при изучении дисциплины.
3. Перечислите положительные факторы применения САУ.
4. Дайте определение САУ.
5. Дайте классификацию САУ.
6. Назовите основные сигналы САУ.
7. Назовите основные элементы САУ.
8. Что такое ошибка САУ?
9. Зачем в САУ вводятся корректирующие звенья?
3.2. Основные линейные динамические звенья сау
Изучение темы следует начать с изучения законов и программ управления. САУ обычно осуществляют поддержание постоянного значения управляемого сигнала у(t), или его изменение по определенному закону. При этом программа управления либо задается заранее, либо изменяется во время эксплуатации в зависимости от конкретных условий.
Программы управления могут быть временными (y=y(t)) или параметрическими (y=y (S1,...,Sn), где S – физические параметры объекта управления).
Закон управления – это алгоритм формирования наиболее целесообразного сигнала управления z(t), который должен обеспечить требуемую точность, устойчивость и качество процесса управления.
Различают линейные и нелинейные законы управления. Для нелинейных законов управления пока не существует общей теории, однако нелинейные методы хотя и сложнее линейных, но позволяют существенно повысить точность и качество управления.
Принципы построения САУ изучает теория автоматического управления. При построении САУ действует блочно-иерархический подход к проектированию. В процессе разработки эффективной САУ решают задачи синтеза, анализа коррекции, экспериментального исследования и наладки САУ.
Под синтезом САУ понимают выбор схемы взаимодействия элементов САУ, их параметров и характеристик. Требуется получить САУ, удовлетворяющую требованиям технического задания (ТЗ).
В ходе решения задачи анализа САУ по заданной структуре САУ определяют значения показателей эффективности системы и, в случае, если они не соответствуют требованиям ТЗ, изменяют их с помощью методов коррекции.
Методы экспериментального исследования и наладки САУ позволяют наиболее рационально исследовать и настроить систему в реальных условиях работы.
Рассматривая блочно-иерархический подход как выражение системного подхода на современном уровне развития науки и техники необходимо учитывать, что и восходящее и применяемое в САПР в настоящее время нисходящее проектирование не лишено недостатков. Этим обусловлен итерационный характер процесса проектирования, что естественно сопряжено с дополнительными затратами машинного времени и памяти. Изучая методы формализации требований технического задания, которые являются исходными данными для проектирования на каждом иерархическом уровне следует понимать, что такой перевод технического задания на язык математики необходим для автоматизации исследования конструкций и технологии РЭС. Так как процесс проектирования с применением ЭВМ на всех уровнях включает одни и те же проектные процедуры: синтез, анализ, оптимизация и принятие решения, то важно четко уяснить себе назначение каждой проектной процедуры и ее место в обобщенной схеме процесса проектирования. Чтобы получить систему, удовлетворяющую ТЗ, приходиться многократно просчитывать различные вариантов схемы и параметров САУ, что соответствует итерациям структурной и параметрической оптимизации в рамках блочно-иерархического подхода.
САУ представляет собой совокупность связанных между собой элементов. Элементы, выполняющие основные функции, называются основными, а остальные – вспомогательными.
Элемент - это конструктивно обособленная часть схемы или системы, выполняющая определенную функцию. Элементы отличаются друг от друга физической природой, принципом действия, схемой включения, конструкцией и т.п.
Общим для всех элементов является передача поступающих на них сигналов в определенном направлении, преобразование сигнала по значению, характеру, и физической природе. Принято выделять основные элементы автоматики.
1. Датчики – устройства, которые различные неэлектрические величины преобразуют в электрические сигналы.
2. Реле – это устройства, которые с помощью слабых сигналов управляют мощными электрическими цепями.
3. Усилители – устройства, которые усиливают входные сигналы, но не изменяют их физической природы.
4. Стабилизаторы – устройства, которые поддерживают постоянство выходных сигналов.
5. Исполнительные элементы – это устройства, которые
путем преобразования подводимой к ним энергии приводят в действие какой-либо механизм или объект регулирования под воздействием управляющих сигналов.
6. Распределители – это устройства, которые обеспечивают поочередное подключение различных элементов или цепей к какому-либо одному элементу или к одной точке электрической цепи.
7. Вычислительные элементы выполняют математические и логические операции над электрическими или физическими величинами.
Все элементы автоматики различаются по физическим основам их действия электрические, электромеханические, тепловые, ферромагнитные, пневматические, гидравлические, ионные, электронные, радиоактивные.
Реле, усилители, стабилизаторы, распределители и вычислительные элементы обычно входят в состав устройств управления, датчики – в состав измерительных устройств. Далее будем рассматривать элементы, у которых хотя бы одна из величин ( входная или выходная ) является электрической. Входной величиной элемента могут быть мгновенные значения физических величин, а также амплитудные и частотные значения синусоидальных или импульсных электрических величин.
Основные элементы систем могут работать как в статическом, так и в динамическом режиме.
При установившемся (статическом) режиме работы элементов входные и выходные сигналы постоянны по времени. Свойства элементов определяются с помощью параметров и характеристик.
Параметр – это величина, характеризующая существенное свойство элемента. Характеристика отражает зависимость одной величины от другой. Для элементов, находящихся в установившемся режиме, используют статические переменные и характеристики.
Статические характеристики могут быть линейными и нелинейными. Чаще применяют элементы с линейной статической характеристикой, так как при работе в широком
диапазоне изменения входных и выходных величин линейные элементы позволяют создать САУ с одинаковыми динамическими и точностными характеристиками на всем диапазоне изменения сигналов. В рамках системного подхода САУ рассматривается как сложная система, состоящая из элементов автоматики.
Элементы, из которых состоит линейная САУ, принято называть линейными динамическими звеньями (ЛДЗ) - это наиболее общее и не зависящее от физической природы элемента представление.
Каждое звено характеризуется своим дифференциальным уравнением.
(d0pn +d1pn-1+ ... + dn)х вых=( m0pk + m1pk-1 + ... + mk )х вх, (3.1)
или
d(p)x вых = m(p) х вх, (3.2)
где d(p), m(p) - операторные полиномы от величины p=d/dt.
Если дифференциальное уравнение звена составлено при
нулевых начальных условиях, то символ р можно рассматривать как число.
Основной характеристикой каждого ЛДЗ является его передаточная функция, которую принято обозначать K(p) или W(p). W(p) находится из дифференциального уравнения звена (3.1) при нулевых начальных условиях как отношение изображения по Лапласу выходного и входного сигналов
xвых(p)
W(p)=
(3.3)
хвх(p)
Зная передаточную функцию звена, можно найти значение выходного параметра по значению входного параметра
xвых=W(p)xвх (3.4)
Для оценки динамических свойств звеньев используют временные и частотные характеристики.
При изучении данного раздела следует изучить примеры построения передаточной функции основных типов ЛДЗ: безынерционного, инерционного апериодического, дифференцирующего форсирующего, интегрирующего и колебательного звеньев //.
Вопросы для самопроверки
1. Почему при разработке САУ применяют блочно-иерархический подход к проектированию?
2. Дайте определение закона управления.
3. Что такое программа управления?
4. Что такое элемент автоматики?
5. Перечислите основные элементы автоматики.
6. Опишите назначение датчиков.
7. В чем заключается функция исполнительных элементов?
8. Зачем нужны вычислительные элементы САУ?
7. Дайте определение передаточной функции.
9. Что называют статической ошибкой САУ?
10. Назовите основные типы ЛДЗ.