Лекции - Управление техническими системами - файл LECK_01.doc

Лекции - Управление техническими системами
скачать (2780.1 kb.)
Доступные файлы (9):
LECK_01.doc348kb.11.03.2011 00:48скачать
LECK_02.doc917kb.11.03.2011 00:49скачать
LECK_03.doc317kb.11.03.2011 00:49скачать
LECK_04.doc96kb.11.03.2011 00:49скачать
LECK_05.doc31kb.21.01.2012 22:39скачать
LECK_06.doc551kb.11.03.2011 00:49скачать
LECK_07.doc2147kb.02.04.2011 19:31скачать
LECK_08.doc795kb.11.03.2011 00:50скачать
LECK_09.doc151kb.11.03.2011 00:50скачать

LECK_01.doc

Лекция 1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ
Автоматизация является одним из главных направлений научно-технического прогресса и важным средством повышения эффективности производства. Современное промышленное производство характеризуется ростом масштабов и усложнением технологических процессов, увеличением единичной мощности отдельных агрегатов и установок, применением интенсивных, высокоскоростных режимов, близких к критическим, повышением требований к качеству продукции, безопасности персонала, сохранности оборудования и окружающей среды.

Экономичное, надежное и безопасное функционирование сложных технических объектов может быть обеспечено с помощью лишь самых совершенных технических средств, разработка, изготовление, монтаж, наладка и эксплуатация которых немыслемы без знания теории автоматического управления.
1.1. Основные понятия и определения.
Теория автоматического управления (ТАУ) – совокупность знаний, позволяющих создавать и вводить в действие автоматические системы управления объектами и технологическими процессами с заданными характеристиками.

Первые теоретические работы в области автоматического управления появились в конце XIX в., когда в промышленности получили широкое распространение регуляторы паровых машин, инженеры-практики стали сталкиваться с трудностями при проектировании и наладке этих регуляторов. Именно в этот период выполнены ряд исследований, в которых впервые паровая машина и ее регулятор были проанализированы математическими методами как единая динамическая система.

Приблизительно до середины 20-го столетия теория регуляторов паровых машин и котлов развивалась как раздел прикладной механики. Параллельно разрабатывались методы анализа и расчета автоматических устройств в электротехнике. Формирование ТАУ в самостоятельную научную и учебную дисциплину произошло в период с 1940 по 1950 годы. В это время были изданы первые монографии и учебники, в которых автоматические устройства различной физической природы рассматривались едиными методами.

В настоящее время ТАУ наряду с новейшими разделами так называемой общей теории управления (исследование операций, системотехника, теория игр, теория массового обслуживания) играет важную роль в совершенствовании и автоматизации управления производством.

ТАУ вместе с теорией функционирования элементов систем управления (датчиков, регуляторов, исполнительных механизмов) образует более широкую отрасль науки – автоматику. Автоматика, в свою очередь, является одним из разделов технической кибернетики. Техническая кибернетика изучает сложные автоматизированные системы управления технологическими процессами (САУТП) и предприятиями (САУП), построенными с использованием управляющих электронных вычислительных машин.

Основными понятиями, использующимися в теории автоматического управления (ТАУ) и регулирования (ТАР), являются: система автоматического управления (САУ) или регулирования (САР), объект управления (ОУ), управляемая величина Y(t), возмущающее воздействие F(t), задающее воздействие X(t) и управляющее воздействие (t), автоматическое управляющее устройство (АУУ), алгоритм управления U(t), обратные связи (ОС) (главные, внутренние, компенсирующие) (рис.1.1).


Рис. 1.1. Схема взаимодействия объекта управления и АУУ в САУ
Управление каким-либо объектом (объект управления будем обозначать ОУ) есть воздействие на него в целях достижения требуемых состояний или процессов. В качестве ОУ может служить самолет, станок, электродвигатель и т.п. Управление объектом с помощью технических средств без участия человека называется автоматическим управлением.

Основной задачей автоматического управления является поддержание определенного закона изменения одной или нескольких физических величин, характеризующих процессы, протекающие в ОУ, без непосредственного участия человека. Эти величины называются управляемыми величинами. Если в качестве ОУ рассматривается хлебопекарная печь, то управляемой величиной будет температура, которая должна изменяться по заданной программе в соответствии с требованиями технологического процесса.

Системой автоматического управления называется совокупность объекта управления (ОУ) и управляющего устройства, взаимодействующих между собой в соответствии с алгоритмом управления.

Объект управления представляет собой совокупность технических средств (машин, устройств, алгоритмов и др.), которая нуждается в оказании организованных воздействий извне для достижения поставленной цели управления в соответствии с алгоритмом управления.

Управляемый параметр (выходной параметр объекта) Y(t) – физическая величина (координата) объекта, которая преднамеренно изменяется или сохраняется неизменной в процессе управления.

Алгоритмом функционирования называют совокупность правил Yтр(t), определяющих характер изменения выходного параметра объекта.

Например, электрическая система – совокупность устройств, обеспечивающих единство процессов генерирования, преобразования, передачи, распределения и потребления электрической энергии при обеспечении ряда требований к режимным параметрам (частоте, напряжению, мощности и т.д.). Электрическая система спроектирована таким образом, чтобы при нормальных условиях эксплуатации эти требования выполнялись, то есть правильно выполнялся технический процесс. В данном случае алгоритм функционирования электрической системы реализован в конструкции входящих в ее состав устройств (генераторов, трансформаторов, линий электропередачи и т.д.) и в определенной схеме их соединения.

Алгоритм управления U(t) есть совокупность предписаний, определяющих характер воздействий на объект с целью осуществления его алгоритмов функционирования.

Автоматическое устройство управления (АУУ) вырабатывает и осуществляет воздействие на объект соответственно требуемому алгоритму управления U(t).

Сигнал в автоматике – определенная физическая величина, отображающая в соответствии с принятой условностью информацию, содержащуюся в воздействии.

При изучении процессов управления в ТАУ абстрагируются от физических и конструктивных особенностей САУ и вместо реальных САУ рассматривают их адекватные математические модели. Поэтому основным методом исследования в ТАУ является математическое моделирование.


1.2. Классификация систем управления.
Классификация САУ может быть осуществлена по различным принципам и признакам, характеризующим назначение и конструкцию систем, вид применяемой энергии, используемые алгоритмы управления и функционирования и т.д.






САУ


Рис. 1.2. Классификация систем автоматического управления
Классификация по характеру изменения величин:

  1. Системы непрерывного действия

  2. Системы импульсного действия (AM, ФМ, ЧМ, ШИМ, ЧИМ)

  3. Системы дискретного действия (01001011110101100010101)

  4. Системы релейного действия

Непрерывная САУ – САУ, в которой действуют непрерывные (аналоговые), определенные в каждый момент времени сигналы.

Дискретная САУ - САУ, в которой действует хотя бы один дискретный, определенный только в некоторые моменты времени сигнал.

К дискретным САУ относятся, например, САУ, имеющие в своем составе цифровые вычислительные устройства: микропроцессоры, контроллеры, электронные вычислительные машины.
Классификация по математическим признакам:

  1. Линейные системы

  2. Нелинейные системы

  3. Существенно нелинейные

Линейные САУ – САУ, все элементы которых описываются линейными дифференциальными и/или алгебраическими уравнениями.

Нелинейные САУ – САУ, хотя бы один элемент которой описывается нелинейными дифференциальными и/или алгебраическими уравнениями.
Классификация по способу настройки:

  1. Не адаптивные системы

  2. Адаптивные системы:

    • Системы с переменной структурой

    • Системы с самонастройкой программы

    • Системы с самонастройкой параметров

    • Системы с самонастройкой структуры

Классификация по типу ошибки в статике:

  1. Статические САУ

  2. Астатические САУ

Статическая САУ – САУ, в которой имеется зависимость управляемой величины в установившемся режиме от величины возмущающего воздействия.

Астатическая САУ – САУ, в которой отсутствует зависимость управляемой величины в установившемся режиме от величины возмущающего воздействия.

Классификация по алгоритмам функционирования (по назначению):

  1. Системы стабилизации

  2. Системы слежения

  3. Системы программного управления

  4. Системы телеуправления

  5. Системы самонаведения, сопровождения, автопилотирования


1.3. Принципы автоматического регулирования: по отклонению, по возмущению, комбинированный
Отклонения выходной величины от требуемого значения возникают из-за наличия возмущающих воздействий F(t), поступающих в систему в виде нагрузки на объект, изменений напряжения питающей сети и др.

Возмущающие воздействия F(t) могут быть различного характера:

- координатными Fк(t), которые изменяют непосредственно координату Y(t);

- параметрическими Fп(t), при действии которых изменяются параметры объекта и АУУ (температура окружающей среды, старение комплектующих элементов и др.).

На вход АУУ подается задающая величина X3(t), закон которой определяется алгоритмом функционирования САУ, т.е.

Y(t) = f (X3(t)) . (1.1)

Теперь можно сформулировать главную задачу управления: необходимо обеспечить минимальную величину отклонения ∆Y(t) выходного параметра объекта Y(t) от ее требуемого значения Yтр(t) , т.е. в первом приближении (рис.1.1.2):

Y(t) - Yтр(t) =  Y(t) min. (1.2)

Однако в теории принятия решений отклонение Y(t) не всегда дает объективную оценку достаточности управления или регулирования. Поэтому используется вероятностная величина отклонения от требуемого значения по минимуму суммы квадратов отклонений

. (1.3)

Для экономических условий возникает необходимость оценки достаточности управления, исходя из критериев экономического эффекта, времени выполнения операций и дополнительных условий, что отражается в следующем выражении:

, (1.4)

где C1i, C2i, C3i - коэффициенты, учитывающие экономический эффект, затраты времени и дополнительные условия выполнения операций управления.

Отклонение Y(t) проявляется в системе в результате действий возмущений F(t), а также изменениях во времени величины X3(t). При изменении X3(t) выходная величина Y(t) не сразу примет нужное значение Yтр(t), а спустя некоторое время после окончания переходного процесса. Переходный процесс может быть и колебательным, как показано на рис. 1.3.



Рис. 1.3. Переходной процесс регулирования

Выходной параметр Y(t) достигнет требуемого Yтр(t) за время переходного процесса tпп.

Главный принцип управления состоит в том, чтобы уменьшить отклонение выходной величины Y(t) от требуемой Yтр(t), т.е.

Y(t) - Yтр(t) = ?Y(t) min.

Принцип управления по возмущению

При возмущении F(t) возникает отклонение ?YF(t). Если компенсирующее воздействие ?Yu(t) будет равным по величине и обратным по знаку ?YF(t), то отклонения выходной величины не будет:

?YF(t) = - ?Yu(t), ?Y(t) = 0. (1.5)

Схема САУ с управлением по возмущению приведена на рис.1.4.

Рис.1.4. Функциональные схемы САУ по возмущению:
ИЭF - измерительный элемент возмущения

Для уменьшения отклонения ?YF(t), вызванного возмущением F(t), возмущение измеряется и преобразуется АУУ в управляющее воздействие U(t), которое вызывает компенсирующее отклонение ?Yu(t), равное по величине и противоположное по знаку отклонению ?YF(t).

Такие системы полностью компенсируют возмущение, они разомкнутые, в них нет проблем устойчивости, очень быстродействующие.

Принцип управления по отклонению

Для уменьшения отклонения ?Y(t) производится измерение разности между заданным и текущим значениями выходной величины и в зависимости от величины и знака этого отклонения осуществляется автоматическое воздействие на ее уменьшение. Если отклонение ?Y(t) возникает при изменении X3(t) или по изменению выходной величины Y(t), то вырабатывается сигнал рассогласования (рис.1.5).

?(t) = X3(t) - Xoc(t). (1.6)


Рис.1.5. Функциональная схема САУ по отклонению:
?(t) - сигнал рассогласования;
ИЭо - измерительный элемент обратной связи
Такие системы управляют выходной величиной независимо от причин отклонения ?Y(t) (нагрузка, температура, изменение параметров звеньев и элементов). Однако присутствует обратная связь, эти системы замкнутые и возникает проблема устойчивости.

Современные САУ высокой точности строятся на основе сочетания управлений по возмущению, т.е. комбинированное управление (рис.1.6).


Рис.1.6. Функциональная схема комбинированной САУ
Комбинированная САУ – система, в которой входными воздействиями ее управляющего устройства являются как внешние (задающее и возмущающее), так и внутреннее (контрольное) воздействия.

Эффективность работы комбинированной САУ всегда больше, чем у порознь функционирующих замкнутой или разомкнутой систем.


1.4. Алгоритмы функционирования систем автоматического управления
Функционирование САУ задается определенной совокупностью предписаний (алгоритмом) Yтр(t), определяющих характер изменения выходной величины объекта

Y(t) = Yтр(t).

Различные алгоритмы функционирования определяют следующие основные классы САУ:

1. Системы стабилизации, у которых выходная величина остается неизменной. Эти системы наименее сложны и их относят к системам автоматического регулирования (САР):

Yтр(t) = Const. (1.7)

2. Системы программного управления, обеспечивающие изменение выходного объекта по заданной программе непрерывно

Yтр(t) = f (X1, X2, X3, ?Xi ,... Xn, t) (1.8)

или дискретно

. (1.9)

3. Следящие системы, в которых выходная величина полностью соответствует изменениям величины, действующей на входе системы по заранее неизвестному закону

Y(t) = Yтр(t).

Примером следящей САУ является система управления активной мощностью нагрузки синхронного генератора на электрической станции в течение суток. Управляемой величиной в системе служит активная мощность нагрузки Р генератора. Закон изменения задания активной мощности Рз (задающего воздействия) определяется, например, диспетчером энергосистемы и имеет неопределенный характер в течение суток.

В стабилизирующих, программных и следящих САУ цель управления заключается в обеспечении равенства или близости управляемой величины x(t) к ее заданному значению xз(t). Такое управление, осуществляемое с целью поддержания называется регулированием.

Управляющее устройство, осуществляющее регулирование, называется регулятором, а сама система – системой регулирования.

Особый класс САУ образуют системы, которые способны автоматически приспосабливаться к изменению внешних условий и свойств объекта управления, обеспечивая при этом необходимое качество управления путем изменения структуры и параметров управляющего устройства. Они называются адаптивными (самоприспосабливающимися) системами. В составе адаптивной САУ имеется дополнительное автоматическое устройство, которое меняет алгоритм управления основного управляющего устройства таким образом, чтобы САУ в целом осуществляла заданный алгоритм функционирования. Алгоритм функционирования адаптивной САУ предписывает обычно максимизацию показателя качества, который характеризует либо свойства процесса управления в САУ в целом (быстродействие, точность и т.д.), либо свойства процессов, протекающих в объекте управления (производительность, достижение наивысшего коэффициента полезного действия, минимизация затрат и т. д.). Поэтому адаптивные САУ являются, как правило, еще и оптимальными.

Лекция 1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации