Технические САУ, Петухов И.В., Стешина Л.А

2. ТЕОРИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ КАК ОСНОВА ПРОЕКТИРОВАНИЯ

СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ

2.1. Основные термины и определения ТАУ

Системы управления современными технологическими процессами характеризуются большим количеством технологических параметров, число которых может достигать нескольких тысяч. Для поддержания требуемого режима работы, а в конечном итоге – качества выпускаемой продукции все эти величины необходимо поддерживать постоянными или изменять по определенному закону.

Физические величины, определяющие ход технологического процесса, называются параметрами технологического процесса

(температура, давление, расход, напряжение и т. д.).

Параметр технологического процесса, который необходимо поддерживать постоянным или изменять по определенному зако-

ну, называется регулируемой величиной или регулируемым параметром.

Значение регулируемой величины в рассматриваемый момент времени называется мгновенным значением. Значение регулируемой величины, полученное в рассматриваемый момент времени на основании данных некоторого измерительного прибора, назы-

вается ее измеренным значением.

Основной целью управления является формирование управляющих воздействий, обеспечивающих требуемый режим работы объекта управления.

Объект управления (объект регулирования, ОУ) – обобщающий термин кибернетики и теории автоматического управления, обозначающий устройство или динамический процесс, требуемый режим работы которого должен поддерживаться извне специально организованными управляющими воздействиями.

31

Целью создания системы автоматического управления явля-

ется управление поведением ОУ.

Частным видом управления является регулирование – управление, при котором задачей является обеспечение постоянства какой-либо выходной величины ОУ (см. рис. 2.2).

Управление отличается от регулирования тем, что его задачей является формирование на основе цели управления и имеющейся информации управляющего сигнала (уставки), отрабатываемого автоматическими регуляторами на требуемом уровне мощности. Другими словами, автоматические регуляторы преобразуют уставки в управляющие воздействия на объект.

Система автоматического управления (САУ) решает задачи верхнего уровня, формируя входной сигнал для САР.

Регулятор (Р) – комплекс устройств, присоединяемых к регулируемому объекту и обеспечивающих автоматическое поддержание заданного значения его регулируемой величины или автоматическое изменение ее по определенному закону.

Автоматическая система регулирования (АСР) – автоматиче-

ская система с замкнутой цепью воздействия, в котором управление (u) вырабатывается в результате сравнения истинного значения у с заданным значением х. Основной задачей системы автоматического регулирования является отработка с наименьшей погрешностью входного сигнала.

Автоматическое управление – управление, осуществляемое без непосредственного участия человека.

Автоматизированное управление – управление, осуществляе-

мое при участии человека-оператора в качестве звена в общей цепи управления, оценивающего альтернативные варианты решений, вырабатываемых системой управления. Термин «автоматизированная» в отличие от термина «автоматическая», подчеркивает сохранение за человеком-оператором некоторых функций, либо наиболее общего, целеполагающего характера, либо не поддающихся автоматизации.

32

Основополагающими понятиями являются также понятия входного, выходного и внешнего воздействия.

Входное воздействие (Х) – воздействие, подаваемое на вход системы или устройства.

Выходное воздействие (Y) – воздействие, выдаваемое на выходе системы или устройства.

Внешнее воздействие – воздействие внешней среды на систему. Пример 1. Предположим, что необходимо вручную поддерживать температуру в сушильном шкафу на уровне Тз. Человекоператор в зависимости от показаний ртутного термометра (РТ) включает или выключает нагревательный элемент (Н) с помощью

рубильника (Р), как показано на рис. 2.1.

Рис 2.1. Схема ручного регулирования температуры сушильного шкафа

В этом случае параметром ТП и регулируемой величиной является температура сушильного шкафа (рис. 2.2), характеризующаяся в каждый момент времени своим мгновенным значением. Значение температуры, измеренное с использованием РТ, является измеренным значением.

Рис. 2.2. Структурная схема системы ручного регулирования температуры сушильного шкафа

33

Пример 2. Модернизируем исходную схему регулирования температуры посредством использования ртутного термометра с контактами РТК. В этом случае при повышении температуры до заданного значения контакты замыкаются столбиком ртути, катушка релейного элемента (РЭ) возбуждается и цепь нагревателя (Н) размыкается контактом (РЭ). При понижении температуры контакты термометра размыкаются, реле обесточивается, возобновляя подачу энергии на объект (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Схема автоматического регулирования и структурная схема АСР температуры с использованием ртутного термометра с контактами РТК

Пример 3. На рис. 2.4 представлена схема автоматического регулирования температуры сушильного шкафа с использованием измерительного моста.

Рис. 2.4. Схема автоматического регулирования температуры сушильного шкафа с использованием измерительного моста

34

На рис. 2.5 приведена структурная схема АСР температуры с измерительным мостом.

Рис. 2.5. Структурная схема АСР температуры с измерительным мостом

При температуре объекта, равной заданной, измерительный мост (М) уравновешен, на вход электронного усилителя (ЭУ) сигнал не поступает и система находится в равновесии. При отклонении температуры изменяется сопротивление терморезистора RТ и равновесие моста нарушается. На входе ЭУ появляется напряжение, фаза которого зависит от знака отклонения температуры от заданной. Напряжение, усиленное в ЭУ, поступает на двигатель (Д), который перемещает движок автотрансформатора (АТ) в соответствующую сторону. При достижении температуры, равной заданной, мост сбалансируется и двигатель отключится. Заданное значение температуры устанавливается с помощью ре-

зистора Rз..

Таким образом, исходя из описанных примеров, типовую структурную схему одноконтурной АСР можно представить в виде системы регулятора и объекта управления (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Типовая структурная схема одноконтурной АСР:

X – задающее воздействие (задание); e = Х–У – ошибка регулирования;

u – управляющее воздействие; f – возмущающее воздействие (возмущение)

35

Формализуем основные понятия, встречающиеся на схеме АСР.

Задающее воздействие (то же, что входное воздействие Х) – воздействие на систему, определяющее требуемый закон изменения регулируемой величины).

Управляющее воздействие (u) – воздействие управляющего устройства на объект управления.

Управляющее устройство (УУ) – устройство, осуществляющее воздействие на объект управления с целью обеспечения требуемого режима работы.

Возмущающее воздействие ( f ) – воздействие, стремящееся нарушить требуемую функциональную связь между задающим воздействием и регулируемой величиной.

Ошибка управления (е = Х–У) – разность между предписанным (Х) и действительным (У) значениями регулируемой величины.

Дополнительная связь в структурной схеме АСР, направленная от выхода к входу рассматриваемого участка цепи воздействий, называется обратной связью (ОС).

Обратная связь может быть отрицательной или положительной.

Отрицательная обратная связь (ООС) является основным методом регулирования заданного параметра. Под ООС понимают такую обратную связь, при которой изменение выходного сигнала передается на вход черного ящика таким образом, чтобы подавить (компенсировать) это изменение. То есть отрицательная обратная связь «держит» выходной параметр неизменным.

Положительная обратная связь (ПОС) – обратная связь, при которой изменение выходного сигнала передается на вход черного ящика таким образом, чтобы усилить (увеличить) это изменение. То есть положительная обратная связь «разгоняет» изменение выходного параметра. Из практических общеинженерных применений ПОС следует выделить использование выходного сигнала с временной задержкой для возбуждения системы. Огромное количество электротехнических решений (усилители,

36

автоколебательные системы, генераторы сигналов) базируется именно на явлении ПОС.

2.2. Классификация АСР

Реализация мер по автоматизации ОУ предполагает анализ технического задания на автоматизацию, разработку вариантов реализации структуры АСР, выбор и обоснование предлагаемого варианта реализации.

Для выполнения этих задач необходимо знать классификацию АСР. Последовательное определение АСР по каждому из классов позволит в дальнейшем определить состав технических средств автоматизации и управления, способы интерфейсного взаимодействия и т.д.

АСР классифицируется по следующим основаниям: 1. по назначению (по характеру изменения задания):

стабилизирующая АСР – система, алгоритм функционирования которой содержит предписание поддерживать регулируемую величину на постоянном значении (x = const);

программная АСР – система, алгоритм функционирования которой содержит предписание изменять регулируемую величину в соответствии с заранее заданной функцией (x изменяется программно);

следящая АСР – система, алгоритм функционирования кото-

2)по количеству контуров:

одноконтурные – содержащие один контур; многоконтурные – содержащие несколько контуров;

3)по числу регулируемых величин:

одномерные – системы с одной регулируемой величиной;

37

многомерные – системы с несколькими регулируемыми величинами.

Многомерные АСР подразделяются на системы:

а) несвязанного регулирования, в которых регуляторы непо-

средственно не связаны и могут взаимодействовать только через общий для них объект управления;

б) связанного регулирования, в которых регуляторы различных параметров одного и того же технологического процесса связаны между собой вне объекта регулирования;

4)по функциональному назначению (АСР температуры,

давления, расхода, уровня, напряжения и т. д.);

5)по характеру используемых для управления сигналов:

непрерывные;

дискретные (релейные, импульсные, цифровые);

6)по характеру математических соотношений:

линейные, для которых справедлив принцип суперпозиции;

нелинейные.

Принцип суперпозиции заключается в том, что если на вход объекта подается несколько входных воздействий (рис. 2.7), то

суперпозиции,

L(х1 + х2) = L(х1) + L(х2),

где L – линейная функция (интегрирование, дифференцирование и т. д.);

7) по виду используемой для регулирования энергии:

пневматические, гидравлические, электрические, механические и др.

38

8) по принципу регулирования:

по отклонению (рис. 2.8). Регулирование по отклонению лежит в основе подавляющего большинства САР. Эти системы используют принцип обратной связи. Выходной сигнал сумматора равен сумме входных сигналов. Зачерненный сектор говорит о том, что данный входной сигнал надо брать с противоположным знаком.

Рис. 2.8. Блок-схема регулирования по отклонению

Достоинства регулирования по отклонению заключаются в уменьшении отклонения регулируемой величины не зависимо от факторов, вызвавших это отклонение; в меньшей чувствительности к изменениям параметров элементов системы по сравнению с разомкнутыми системами.

Однако регулирование по отклонению не позволяет достичь в простых одноконтурных системах абсолютной инверсности; кроме того, возникает проблема устойчивости;

по возмущению, или компенсации (рис. 2.9). Из различных возмущений, действующих в системе, выбирается одно главное, на которое реагирует САР. В этом случае компенсируется внеш-

39

Основным недостатком регулирования по возмущению является то, что применение данной системы ограничено объектами, характеристики которых известны. Поскольку система, по сути, разомкнутая, появляются отклонения управляемой величины с изменением характеристик объекта;

комбинированные (рис. 2.10) – сочетающие в себе особенности предыдущих АСР. В комбинированной системе внешнее воздействие компенсируется регулирующим воздействием в соответствии с его изменением, а воздействие по отклонению используется для устранения погрешностей, возникающих в результате неточности регулирования.

f

К

P ОУ

Рис. 2.10. Блок-схема комбинированного регулирования

С помощью комбинированного регулирования достигается высокое качество управления, однако его применение ограничено тем, что возмущающее воздействие f не всегда можно измерить.

2.3. Классификация элементов автоматических систем

Основные элементы автоматических систем классифицируются:

1) по функциональному назначению:

измерительные, усилительно-преобразовательные, исполнительные, корректирующие;

40