Основные сведения об автоматизации и управлении

Основные сведения об автоматизации и управлении

Все рабочие процессы, выполняемые человеком для получения продукции, представляют собой направленную совокупность действий – операций, которые условно можно разделить на два вида: рабочие операции и операции управления.

К рабочим операциям относятся действия непосредственно необходимые для выполнения рабочего процесса. Замена труда человека в рабочих операциях работой механизмов называется механизацией.

Замена труда человека в операциях управления работой технических устройств называется автоматизацией.

Технические устройства, выполняющие операции управления называются автоматическими устройствами.

Совокупность технических устройств (машин, орудий труда, средств механизации), выполняющих рабочий процесс, с точки зрения управления является объектом управления. Совокупность автоматических устройств и объекта управления образует систему управления.

Система, в которой все управляющие операции выполняются автоматическими устройствами (без участия человека) называется автоматической системой управления (СА У).

Если задачей САУ является только поддержание некоторого параметра (регулируемой величины) на заданном постоянном уровне или изменение его по заданному закону, то такая автоматическая система называется системой автоматического регулирования (САР).

Система, в которой автоматизирована только часть операций управления, а другая часть операций (как правило, наиболее ответственная) выполняется человеком, называется автоматизированной системой управления.

Теория автоматического управления является теоретическим обоснованием автоматизации. Отрасль науки и техники, занимающаяся разработкой систем автоматического управления, называется автоматикой.

Системой автоматического регулирования непрямого действия называется такая система, в которой чувствительный элемент воздействует на регулирующий орган не непосредственно, а через специальные усиливающие и преобразующие элементы, питаемые добавочным источником питания

Примером такой системы может служить система регулирования скорости тепловой машины. На рис..изображена схема усилительного устройства, которым дополняется предыдущая система прямого действия, В состав устройства входят: гидравлический цилиндр с поршнем 1; управляющий золотник 2; подвижный шток золотника 3. В качестве дополнительного источника энергии используется гидравлическая насосная станция с давлением рабочей жидкости Р_н. Перемещения штока золотника (У) осуществляются в результате движения подвижной втулки 4 центробежного измерителя скорости. Вследствие малых размеров управляющего золотника, требуются небольшие усилия для перемещения подвижного штока золотника. Сила же давления штока гидравлического усилителя на рычаг заслонки 4 (например, при его движении в низ) определяется величиной рабочего давления Р_н и площадью поршня 1 и поэтому может быть достаточной для перемещения заслонки даже с учетом возможных сил трения

 

--

Это определение надо выучить

Системой автоматического регулирования называется система, обладающая свойством сохранять требуемую функциональную связь между управляющими и регулируемыми величинами при помощи их сравнении и использования получающихся при этом разностей для управления.

Группы динамических звеньев

T1

Линейные динамические звенья условно делят по виду их дифференциальных уравнений на следующие основные группы:

1.Позиционные звенья;

2.Дифференцирующие и интегрирующие звенья;

3.Трансцендентные звенья.

Для изучения свойств звеньев, в последующем материале установлен следующий порядок рассмотрения их характеристик: переходная характеристика, анализ; частотные характеристики, анализ.

Позиционные звенья. К позиционным звеньям относятся апериодические звенья первого и второго порядков, колебательное и консервативное звено.

Апериодическое звено 1 порядка. К этому типу звеньев относятся устройства, описываемые уравнением

.

Передаточная функция звена

Колебательное звено. К этому типу звеньев относятся устройства, описываемые уравнением

.

Передаточная функция звена

.

Уравнение (1.48) удобно представить в виде

x ,

где x - параметр затухания колебаний, x = , (0 < < 1).

Если принять , то колебательное звено становитсяапериодическим второго порядка.

Очевидно, что уравнение звена по внешнему виду совпадает с уравнениями для колебательного звена (1.48) и (1.49). Однако, при 1 характеристическое уравнение звена имеет два вещественных корня (1.52). Поэтому передаточную функцию апериодического звена второго порядка оказывается возможным представить в виде двух последовательно соединенных передаточных функций, рис.1.31.

Коэффициенты

Если принять , то окажется, что и . В этом варианте колебательное звено превращается в консервативное. Уравнение консервативного звена имеет вид

.

Управляемость системы

Объект (или система) является полностью управляемой, если существует такое управляющее воздействие u(t), определенное на конечном интервале времени , которое переводит его из любого начального состояния в любое заданное конечное состояние

10. Трансцендентное звено. Характеристики

Звено «чистого» запаздывания. Уравнение для этого звена имеет вид

, (1.67)

где величина «чистого» запаздывания, рис.1.30. Рисунок отражает принцип работы звена. Видно, что после подачи сигнала на вход звена, сигнал на его выходе возникает только в момент времени .

Выражение для передаточной функции звена:

(1.68)

Для определения частотных характеристик необходимо в выражении (1.68) выполнить замену на произведение . После замены получим

= .

Далее можно записать выражения для мнимой и вещественной частей частотной передаточной функции:

, (1.69)

Из выражений (1.69) нетрудно найти амплитудную и фазовую частотные характеристики: ,

 

На рис.1.31. изображены амплитудная фазовая и амплитудно-фазовая частотные характеристики звена «чистого» запаздывания.

Примеры звеньев «чистого» запаздывания:

1.Электрическая линия без потерь, имеющая сопротивление при индуктивности и емкости на единицу длинны, рис.1.32,а

2.Транспортер сыпучих материалов, рис.1.32,б.

 

11. Корни характенистического уравнения могут быть комплексные и вещественные, В случае комплексных корней переходные процессы будут колебательными и сходящимися, если вещественная часть хотя бы одного комплексного корня меньше нуля и колебательными расходящимися, если вещественная часть комплексного корня больше нуля, см рис.

12. Все корни расположенные слева от границы устойчивости соответствуют устойчивым системам, Если хотя бы один корень расположится справо от границы, система окажется неустойчивой. Если комплексные корни попадают на границу, то в системе будут автоколебания с постоянной амплитудой. Если вещественный корень попадает на границу, то процесс в системе не будет изменяться во времени.

Определитель Гурвица.

Для системы 3 порядка имеет вид

А1	А3
А0	А2
	А1	А3

14 Показатель затухания для колебательного звена имеет вид

( имеет вид С учетом этого описание звена примет вид .

Если то переходная характеристика у звена будет иметь вид колебательного процесса. Если 1, то этот процесс будет апериодическим.. Если , то процесс будет незатухающим с постоянной амплитудой

15. Если известна величина степени устойчивости , то время переходного процесса можно определить по формуле

16. По критерию Найквиста система неустойчива если годограф амплитудно-частотной характеристики разомкнутой системы не охватывает точку с координатами (-1, j,0)

17. Регулятор должен быть интегрирующим

Процедуры оптимизации.

Применяются для оптимизации некоторого показателя качества, например времени переходного процесса. Предварительно д.б.построена рабочая область

Схема случайного поиска состоит в том, что по случайному закону выбираются численные значения переменных параметров и координаты рабочей точки в рабочей области (рис.1.60,а). На рисунке z₁ и z₂ переменные параметры системы (например, z₁ - постоянная времени корректирующего элемента, z₂ - коэффициент усиления). Обозначения: z₁^max ¸ z₁^min, z₂^min ¸ z₂^max – диапазоны возможных изменений параметров z₁ и z₂; z_1,0 и z_2,0 – некоторые случайно выбранные значения параметров в области Q₀.

Для реализации варианта случайной выборки координат рабочей точки применяются следующие формулы:

z_1,0 = z₁^min + RAND*(z₁^max – z₁^min); (1.156)

z_2,0 = z_2,min + RAND*(z₂^max – z₂^min),

где RAND – процедура получения случайного числа из диапазона [0,1].

Если найденные значения z_1,0 и z_2,0 удовлетворяют решаемой задаче параметрического синтеза, то они становятся координатами рабочей точки в рабочей области. Необходимо отметить, что в схеме поиска использованы только два переменных параметра z₁ и z_2.

Схема случайно-направленного поиска (рис.1.60,б) состоит в том, что процессу расчета численных значений параметров z_1,0 и z_2,0 по случайному закону придается направленное движение. Предположим, что по схеме случайного поиска в области Q₁ выполнено некоторое ограниченное количество вариантов расчетов. В результате оказалось, что координаты точки 1 соответствуют лучшему варианту, т.е. показатели качества системы, в расчете которой использованы численные значения постоянной времени корректирующего элемента и коэффициента усиления, соответствующие этой точке оказались лучше, чем в других вариантах. Если требуется дальнейшее улучшение показателей качества (или дальнейшая оптимизация некоторого критерия), то расчеты необходимо продолжить. Для этого область Q₁ перемещается в сторону точки 1 так, чтобы эта точка стала центром области. В результате получится область Q₂ с новыми численными значениями координат: Z₁^max, Z₁^min, Z₂^max, Z₂^min. Эти новые значения получаются геометрическим расчетом с использованием координат области Q₁.

Далее в области Q₂ также выполняется некоторое количество вариантов расчетов и последующие уже известные действия. В результате получается точка 2, по физическому смыслу аналогичная точке 1 и новая область поиска Q₃. По такой схеме осуществляется направленный поиск в рабочей области значений переменных параметров до выполнения требований по качеству регулирования. Время поиска оказывается не большим.

Исходная предпосылка МЭПиН

Метод эффективных полюсов и нулей. Исходная предпосылка метода.

Метод эффективных полюсов и нулей (МЭПН) ориентирован на.преимущественное использование ЭВМ для решения задач проектирования САР. Метод позволяет решать задачу оптимизации на ЭВМ некоторого критерия качества при наличии большого числа ограничений и варьируемых параметров. Метод имеет простые алгоритмы, составленные из коэффициентов характеристического уравнения:

(1.145)

Простота алгоритмов создает возможность не трудоемко вручную выполнять расчеты показателей качества переходных процессов. В результате расчета определяются исходные значения параметров элементов САР, используемых далее для выполнения расчетов на ЭВМ. Расчеты с использованием метода являются приближенными, погрешности могут достигать 10-30 %. Поэтому на заключительном этапе расчета требуется численное моделирование. Метод разработан Климовым В.А. в 1980-1985г.г. и опирается на корневые показатели качества [5].

Метод можно применять лишь в том случае, если выполнена исходная предпосылка - требование по колебательности системы (1.125). Данное требование имеет вид

μ £ 4.89. (1.146)

Область изменения параметров элементов системы, где выполняется требование (1.146) называется рабочей областью. Так как переменных параметров в системе может быть много, то рабочая область в общем случае ограничиваются многомерной поверхностью. Если переменных параметров два, то рабочая область будет представлять собой часть плоскости.

Для системы третьего порядка уравнения границ рабочей области имеют вид:

(1.147)

где коэффициенты характеристического уравнения.

Внутри рабочей области левая часть выражений (1.147) должна быть меньше правой части, т.е. в системе (1.147) вместо знака равенства должен применяться знак «меньше». Построение рабочей области в плоскости двух параметров применяется, как правило, при ручном расчете. При этом по одной оси откладывается коэффициент усиления разомкнутой системы, а по другой оси тот параметр, который оказывает наибольшее влияние на динамику процессов, например, параметры корректирующего элемента.

Определение рабочей области

Область изменения параметров элементов системы, где выполняется требование по колебательности системы называется рабочей областью. Так как переменных параметров в системе может быть много, то рабочая область в общем случае ограничиваются многомерной поверхностью. Если переменных параметров два, то рабочая область будет представлять собой часть плоскости.

Для системы третьего порядка уравнения границ рабочей области по МЭПиН имеют вид:

(1.147)

где коэффициенты характеристического уравнения.

Внутри рабочей области левая часть выражений (1.147) должна быть меньше правой части, т.е. в системе (1.147) вместо знака равенства должен применяться знак «меньше». Построение рабочей области в плоскости двух параметров применяется, как правило, при ручном расчете. При этом по одной оси откладывается коэффициент усиления разомкнутой системы, а по другой оси тот параметр, который оказывает наибольшее влияние на динамику процессов, например, параметры корректирующего элемента.

Исходные данные для расчета желаемой ЛАХ

.

Исходные данные: Перергулирование ; Время переходного процесса ; возможное максимальное ускорение регулирующего органа ; порядок астатизма регудятора ; коэффициент передачи

23. ЛАХ апериодического звена

Передаточная функция звена Частотная передаточная функция ; амплитудночастотная характеристика

При построении ЛАХ используется следующий прием. Рассматриваются выражения для АЧХ при частотах и .

Если , то , если , то . Частота называется сопрягающей и обозначается .

В первом случае , во втором случае .

24. Что характеризует показатель

В рабочей области располагаются точки, соответствующие различным значениям параметров, откладываемым по осям системы координат. Эти точки называются рабочими. Каждой рабочей точке может соответствовать апериодический или колебательный переходный процесс. Для определения формы процесса необходимо рассчитать величину показателя

ρ = . (1.150)

Если выбранной рабочей точке соответствует значение ρ >1, то форма переходного процесса будет колебательной. Причем колебательность усиливается с увеличением показателя. Если ρ < 1, то переходный процесс будет апериодическим.

Выражение (1.150) позволяет получить уравнение кривой, разделяющей рабочую область на две подобласти. В одной из них будут располагаться только колебательные процессы, а в другой - только апериодические. Для этого необходимо в (1.150) принять ρ = 1 и далее записать

Экстремальные системы

К классу оптимальных устройств относят системы, предназначенные для регулирования объекта, в статической характеристике которого имеется экстремум. Таких объектов в природе много: двигатели внутреннего сгорания, двигатели самолетов и ракет, нагревательные печи и др. Например, в нагревательной печи при постоянном расходе горючего, регулирование температуры осуществляется изменением подачи воздуха, выполняющего функцию окислителя.

При заданном постоянном расходе горючего существует строго определенное количество воздуха , при котором достигается максимальная температура в нагревательной печи (рис.). Если по каким- либо причинам изменяется расход горючего, то изменится и положение максимума и величина максимальной температуры в печи. На рис.1.2 показано положение максимума температуры в зависимости от расхода горючего .

 

Системы, которые автоматически находят и удерживают регулируемый параметр на экстремальном уровне, получили название систем экстремального регулирования. В этих системах процесс регулирования реализуется в два этапа. На первом этапе осуществляется поиск экстремума регулируемой величины (рис.2) На рис.1 этот экстремум соответствует максимальной температуре нагревательной печи . Принимая найденное значение экстремума в качестве заданного управляющего воздействия, выполняют второй этап регулирования – стабилизацию регулируемой величины , аналогично тому, как это делается при обычном регулировании.

Поисковое устройство (рис.2) ПУ содержит генератор поисковых сигналов и выполняет ряд вычислительных и логических операций. При замкнутом ключе генератор поисковых сигналов через определенный интервал времени воздействует на исполнительный механизм ИМ. В соответствии с первым сигналом выходная величина принимает значение и запоминается в ПУ. После второго сигнала выходная величина принимает значение . Далее в ПУ эти сигналы сравниваются. Если окажется, что больше нуля, то для нахождения максимума следующим сигналом изменяют положение ИМ в том же направлении и получают значение . Далее следует операция сравнения и соответствующее движение ИМ. Эти действия продолжаются до тех пор, пока разность не изменит знак. Тогда да можно принять, что является максимумом регулируемой величины. Затем корректируется величина управляющего сигнала. Для коррекции в ПУ формируется сигнал и вычисляется корректирующий сигнал управления .

Структурная схема системы

Адаптивные системы регулирования. К классу адаптивных (приспосабливающихся) систем автоматического регулирования относятся системы, имеющие возможность самостоятельно приспосабливаться к изменению внешних условий и свойств объекта управления для обеспечения требуемого качества регулирования.

В процессе приспособления могут изменяться параметры, а также и структура регулятора.

В самом общем виде адаптивная система может быть представлена в виде схемы, изображенной на рис.1

Устройство управления УУ можно рассматривать как некоторый регулятор, для которого объектом управления является система регулирования в целом. При таком подходе адаптивную систему можно представить системой, состоящей из двух контуров: основного контура – это система регулирования и контур адаптации.

Учебный модуль 1

№п/п	Формулировка задания	Ответ
	Тестовое задание. Отметьте символом √ характерные свойства и – закона регулирования: статическая ошибка Х ст. = 0; статическая ошибка Х ст..>0; длительный переходный процесс; короткий переходный процесс; склонность к колебаниям.
	Тестовое задание. Отметьте символом √. элементы, входящие в исполнительный механизм САР: объект управления; измеритель; сравнивающее устройство; двигатель; усилитель; корректирующее устройство; регулирующий орган; редуктор.	.

Учебный модуль 2

№ п/п	Формулировка вопроса	Ответ
	.Тестовое задание. Система управления описывается уравнениями , где Указать к какому типу относится система: 1. Полностью инвариантна; 2. Не является инвариантной; 3. Система инвариантна к действию входного сигнала; 4. Система инвариантна к действию возмущения
	. Тестовое задание. Определить какой характеристический многочлен: соответствует описанию системы:
	Тестовое задание. Отметьте символом √ одну из следующих передаточных функций , ,   если задан вид ее ЛАХ

Учебный модуль 3

№ п/п	Формулировка вопроса	Ответ
	Тестовое задание. Отметьте символом передаточную функцию звена с запаздыванием:

	Тестовое задание. Годографы кривой Михайлова, соответствующие полиному D(P) = A0P4+A1P3+A2P2+A3P+A4 могут иметь варианты, представленные на рисунке.Отметьте символом √ годограф, соответствующий устойчивой системе.
	Тестовое задание. Отметьте символом √ передаточную функцию по ошибке: , . ,

Учебный модуль 1

Учебный модуль 2

Учебный модуль 3

Учебный модуль 4

Учебный модуль 5

Учебный модуль 6

Учебный модуль 7

Основные сведения об автоматизации и управлении

Все рабочие процессы, выполняемые человеком для получения продукции, представляют собой направленную совокупность действий – операций, которые условно можно разделить на два вида: рабочие операции и операции управления.

К рабочим операциям относятся действия непосредственно необходимые для выполнения рабочего процесса. Замена труда человека в рабочих операциях работой механизмов называется механизацией.

Замена труда человека в операциях управления работой технических устройств называется автоматизацией.

Технические устройства, выполняющие операции управления называются автоматическими устройствами.

Совокупность технических устройств (машин, орудий труда, средств механизации), выполняющих рабочий процесс, с точки зрения управления является объектом управления. Совокупность автоматических устройств и объекта управления образует систему управления.

Система, в которой все управляющие операции выполняются автоматическими устройствами (без участия человека) называется автоматической системой управления (СА У).

Если задачей САУ является только поддержание некоторого параметра (регулируемой величины) на заданном постоянном уровне или изменение его по заданному закону, то такая автоматическая система называется системой автоматического регулирования (САР).

Система, в которой автоматизирована только часть операций управления, а другая часть операций (как правило, наиболее ответственная) выполняется человеком, называется автоматизированной системой управления.

Теория автоматического управления является теоретическим обоснованием автоматизации. Отрасль науки и техники, занимающаяся разработкой систем автоматического управления, называется автоматикой.