Раздел 2 Основы теории систем автоматического управления

2.1 Автоматические системы контроля, управления, регулирования

Существует большое разнообразие систем автоматического управления, выполняющих те или иные функции по управлению самыми различными физическими процессами во всех областях техники.

Вследствие большого разнообразия систем автоматики, различающихся функциональными возможностями, принципами построения и формой конструктивной реализации, дать законченную классификацию систем автоматического регулирования в условиях, когда создаются всё новые и новые системы, не представляется возможным. Поэтому остановимся лишь на отдельных, наиболее характерных классификационных признаках систем.

1) В зависимости от выполняемых функций различают автоматические системы контроля, управления, регулирования.

2) По назначению:

- системы стабилизации - значение выходного параметра поддерживается постоянным (стабилизаторы напряжения, температуры, скорости и т.д.)

- системы слежения - изменение выходного параметра происходит по определённому закону в соответствии с изменением задающего воздействия (станки с программным управлением)

- системы программного управления - изменение выходного параметра осуществляется по заранее неизвестному закону изменения задающего воздействия (следящий электропривод)

3) По характеру взаимодействия регулятора и объекта управления: разомкнутые (без обратной связи) и замкнутые (с обратной связью)

4) По характеру изменения величин: системы непрерывного действия и системы дискретного действия

5) По принципу регулирования: по отклонению, по возмущению, комбинированные

7) По типу ошибки в статике: статические и астатические.

Автоматические системы контроля

В системах автоматического контроля осуществляется сравнение контролируемой величины с заданным её значением. Результаты сравнения фиксируются в форме, удобной для наблюдения или длительного хранения.

На рисунке 2.1 представлена общая структура системы автоматического контроля. Контролируемая величина поступает на датчик, в котором преобразуется в сигнал, удобный для измерения. Далее входной сигнал сравнивается с эталонным, поступающим с задающего устройства. Результат сравнения поступает на воспроизводящее устройство.

Задающее устройство может отсутствовать, если система предназначена для измерения абсолютного значения входной величины.

В зависимости от функции воспроизводящего устройства системы автоматического контроля подразделяют на измерительные, системы сигнализации и системы сортировки.

Рисунок 2.1 — Структура системы автоматического контроля

Автоматические системы управления

Под автоматическим управлением понимается выполнение устройством автоматики действий по заданной программе при возникновении внешних возмущающих воздействий. Внешними возмущающими воздействиями являются изменение схем или параметров режима объекта управления, а также команды персонала на пуск устройства автоматики и др. Устройства автоматического управления независимо от назначения ха­рактеризуются одинаковым принципом построения (рис. 2.2).

При возникновении возмущающего воздействия задающее устройство определяет значение этого воздействия и осуществляет пуск устройства. При этом устройство начинает действовать по заданной программе. Управляющее устройство вырабатывает сигнал управляющего воздействия. Исполнительный орган осуществляет воздействие на объект управления.

Рисунок 2.2 — Структура системы автоматического управления

Системы автоматического управления в большинстве случаев явля­ется системами разомкнутого типа: все элементы системы действуют в одном направлении, обратное воздействие элементов друг на друга отсутствует.

Примеры систем управления: автоматическая защита, автоматическая блокировка, лифт с кнопочным управлением.

Автоматические системы регулирования

Система автоматического регулирования (САР) служит для поддержания в заданных пределах или на постоянном уровне некоторого параметра или для обеспечения протекания производственного процесса по заданному закону.

Управляющее (регулирующее) воздействие вырабатывается в результате сравнения истинного значения управляемой (регулируемой) величины с заданным ее значением.

Систему автоматического регулирования можно получить путем объединения в одну замкнутую систему систем автоматического контроля и управления.

Система автоматического регулирования состоит из регулируемого объекта и элементов управления, которые воздействуют на объект при изменении одной или нескольких регулируемых переменных.

Рисунок 2.3 — Структура системы автоматического регулирования

На рисунке 2.3 представлена общая структура системы автоматического регулирования. Задающее устройство устанавливает значение регулируемой величины. Далее происходит сравнение заданного и фактического (приходящего с датчика) значений. При наличии рассогласования исполнительный орган восстанавливает заданное значение регулируемой величины.

Рассмотрим несколько устаревшую, но наглядную систему на примере САР напряжения генератора (рис. 2.4).

В данной системе объектом регулирования является генератор G, регулируемым параметром – напряжение, вырабатываемое генератором U_г. Основным возмущающим воздействием является изменение нагрузки R_н, приводящее к изменению тока якоря, а значит и U_г.

Рисунок 2.4 — Схема САР напряжения генератора постоянного тока

Заданное значение регулируемого параметра определяется потенциометром R_п, фактическое значение снимается с нагрузки. Оба значения U_зад и U_г подаются на вычитающий усилитель.

В установившемся режиме U_зад=U_г, выходное напряжение усилителя равно нулю, соответственно двигатель М неподвижен. При отклонении регулируемого параметра, усилитель вырабатывает напряжение, амплитуда которого зависит от величины отклонения, полярность – от стороны отклонения. Двигатель М перемещает движок реостата R_р , что приводит к изменению магнитного возбуждения Ф, а значит поддержанию напряжения генератора U_г постоянным.

Самостоятельная работа — Автоматические системы

Для заданной системы в соответствии с техническим заданием:

- составьте релейно-контакторную схему;

- выберите типы датчиков и исполнительных устройств.

Таблица 2.1 – Варианты заданий (последняя цифра номера по списку в журнале)

№ варианта	Название системы
1,6	Смесительное устройство
2,7	Равномерная загрузка трех потребителей
3,8	Промышленные ворота
4,9	Управление последовательностью операций станка для сварки кабеля
0,5	Дренажные насосы

1) На рисунке 2.5 представлена блок-схема смесительного устройства. Техническое задание:

По команде запуска открыть вентиль Y1 и заполнить бак до отметки SL2. Закрыть вентиль Y1, открыть вентиль Y2 и заполнить бак до отметки SL1. Закрыть вентиль Y2 и на 15 минут включить смеситель. Открыть вентиль Y3 и слить полученную смесь. По сигналу датчика SL3 закрыть вентиль Y3 и привести схему в исходное состояние.

М – электродвигатель смесителя

Y1 – вентиль подачи компонента 1

Y2 – вентиль подачи компонента 2

Y3 – вентиль выпуска готовой смеси

SL1 – датчик полного заполнения бака

SL2 – датчик заполнения бака компонентом 1

SL3 – датчик опустошения бака

SВ1 – кнопка запуска установки

Рисунок 2.5 — Блок-схема смесительного устройства

2) Равномерная загрузка трех потребителей

Реализуется групповое соединение трех одинаковых потребителей. Из этих трех потребителей два всегда должны работать. Чтобы обеспечить равномерный износ, все три потребителя должны включаться и выключаться попеременно. Каждый потребитель обладает аварийным выходом, который подведен к общей аварийной сигнализации. Как только потребитель сообщает о неисправности, он отключается, а остальные два потребителя работают.

Требования:

Сначала работают потребители 1 и 2, затем потребители 2 и 3, затем потребители 1 и 3. Эта последовательность все время повторяется. Потребители каждый раз работают в течение установленного времени (напр., 3 секунды). Установка сама запускается также после восстановления напряжения (начальное состояние).

Если у потребителя 1 возникает неисправность, то он отключается и включается третий потребитель. Неисправность сигнализируется через общий аварийный сигнал. Если неисправность устранена и нажата квитирующая кнопка, то схема переходит в исходное состояние.

3) Промышленные ворота

У въезда на территорию организации часто устанавливают ворота. Они открываются только для того, чтобы впустить или выпустить транспортное средство. Ворота управляются вахтером. Ворота открываются и закрываются нажатием на кнопку в помещении вахты.

Требования:

Обычно ворота полностью открыты или закрыты. Однако перемещение ворот может быть остановлено в любое время. Предупреждающий сигнал включается за 5 секунд до начала перемещения ворот, и остается включенным, пока ворота находятся в движении.

Предохранительная планка гарантирует, что при закрытии ворот никто не получит травму и ничто не будет зажато или повреждено.

4) Управление последовательностью операций станка для сварки кабеля

Технологический процесс на станках для сварки кабеля должен строго соблюдаться. В случае ошибочного управления цикл немедленно прерывается и должен быть начат снова. Требования:

Процесс сварки запускается педальным переключателем. При нажатии педального переключателя конец кабеля подводится до упора. Ножной переключатель должен быть снова нажат в течение 3 секунд для зажима концов кабеля (клапан). Интервал времени в 3 секунды отображается световым сигналом. Если педальный переключатель в течение 3 секунд был нажат второй раз, то происходит процесс сварки. При новом нажатии педального переключателя кабель освобождается и протягивается дальше. Если превышены 3 секунды после первого нажатия педального переключателя, то зажимной клапан немедленно освобождает кабель, и он не сваривается. Цикл должен быть начат снова.

Используемые компоненты: педальный переключатель, световой сигнал времени установки (3 с), клапан для зажима кабеля, клапан для освобождения кабеля.

5) Дренажные насосы предназначены для откачки из подземных конвейерных галерей выступающих грунтовых и ливневых вод. Уровни воды определяются положением электродов Э1-Э3. Для откачки воды применяют два насоса: рабочий и резервный. Схема управления насосами предусматривает местное и автоматическое управление.

Требования:

При достижении уровня воды электрода Э1 включается рабочий насос. Если один насос не справляется с откачкой воды (уровень Э2), схема управления включает второй насос. При снижении уровня до нормального оба насоса отключаются. Когда уровень повышается до отметки Э3, включается сигнализация.