Общая классификация систем автоматического регулирования.

Общая классификация САР похожа на классификацию САУ. Ниже приведены три основных из восьми признаков:

1. По способу соединения регулятора и объекта различают системы разомкнутые и замкнутые.

Разомкнутые САР не используют информацию о выходных величинах объекта регулирования (т.е. в них отсутствует обратная связь), а регулирование осуществляется на основе информации о входных величинах (возмущениях).

Рассмотрим систему регулирования температуры в печи, отапливаемой газом. Основное возмущение – изменение давления газа в газопроводе, которое вызывает изменение расхода топлива и следовательно, температуры в печи. Для компенсации бросков давления газа применяется регулятор, который получает информацию о давлении газа от датчика и по предварительно заданному закону изменяет положение задвижки крана. Давление перед горелкой будет стабильным, и перепады давления в трубе не будут влиять на температуру в печи.

Замкнутые системы или системы с регулированием по отклонению (по ошибке) используют текущую информацию о выходных величинах, определяют отклонение регулируемой величины от заданного значения и принимают меры к устранению этого отклонения.

2. По характеру изменения регулирующих воздействий по времени (виду функциональной связи между входными и выходными величинами элементов CAP). По этому признаку различают САР непрерывного и прерывистого (дискретного) действия.

САР непрерывного действия - это такие системы, в которых непрерывному изменению входных величин всех элементов соответствует непрерывное изменение выходных величин этих элементов. При этом закон изменения выходной величины во времени может быть произвольным, в зависимости от формы изменения входной величины и от вида уравнения динамики элемента.

В качестве примера можно привести пневматический регулятор непрерывного действия на рисунке 5.2. реализующий пропорционально-интегральный закон непрерывного регулирования, и предназначенный для измерения, записи, и выдачи пневматических сигналов для автоматического регулирования заданной температуры, давления, расхода, уровня, напора.

При этом регулятор представляет собой полностью пневмомеханическую систему без всякой электрической и электронной начинки, а закон регулирования осуществляется аналоговым непрерывным способом при помощи рычагов, сильфонов, дросселей, мембран и других элементов пневмоавтоматики, которые в процессе регулирования постоянно перемещаются, механически отрабатывая заложенные законы регулирования. Это все очень напоминает аналоговые ЭВМ, которые, в отличие от современных компьютеров оперировали при вычислениях не дискретными числами, а непрерывными величинами.

САР прерывистого (дискретного) действия называют системы, в которых непрерывному измене­нию входной вели­чины хотя бы одного элемента, входящего в состав системы, соответствует преры­вистое изменение выходной величины этого элемента.

Дискретные системы бывают релейными, импульсными и цифровыми.

Пример релейной системы – САР электропечи, где измерение температуры происходит непре­рывно при помощи электроконтакт­ного термометра, а подача электроэнергии в печь, осуществляется периодическим включением или вы­ключением реле, на обмотку ко­торого напряжение поступает при замыкании контактов термометра.

К дискретным САУ относятся также и цифровые системы, в которых используются компьютеры, цифровые измери­тельные при­боры, микропроцессорные регуляторы (контроллеры). Цифровые си­стемы из-за высокого быстродействия и очень малого интервала дискретизации по времени по ре­зультатам работы очень близки к непрерывным системам.

Расшифруем вышесказанное. На самом деле компьютер работает с цифровой информацией. Он рассчитывает регули­рующее воз­действие на базе математических формул. Для этих формул нужны конкретные значения, например, уровня воды в башне или темпе­ратуры в печи. Но температура и уровень - непрерывно изменяющиеся во времени физические величины, а цифровая система с опре­деленной частотой измеряет значения этих величин, преобразуя в конкретные цифры для последую­щих расчетов. Поэтому мы и гово­рим, что цифровые системы из-за высокого быстродействия и очень малого интервала дискретизации по времени по результатам ра­боты очень близки к непрерыв­ным системам. Циф­ровыми дискретными системами являются все современные системы на базе микро­электронной цифровой техники (кон­троллеров и компьютеров).

3. По виду энергии, применяемой для работы для перемещения регулирующих органов CAP - прямого и непрямого действия.

В системах прямого действия для перемещения регулирующего органа используется внутренняя энергия системы, например энергия чувствительного элемента - поплавка в бачке унитаза или в котле паровой машины, например.

В системах непрямого (косвенного) действия для работы (реализации управляющих и исполнительных действий) используется внешняя энергия. По виду энергии непрямые системы делятся на электрические, гидравлические и пневматические. Подавляющее большинство современных САР и все АСУ относятся к электрическим, использующих для измерений и вычислений на базе нужной математики контроллеры, компьютеры и различные вспомогательные электронные устройства, а также электрические исполнительные механизмы для перемещения регулирующих органов. В условиях  связанных с взрыво- и пожароопасностью, применяют чисто пневматические системы. Чисто гидравлические системы используются редко, а гидравлику используют для гидропривода исполнительных механизмов в комбинации с электрическими управляющими устройствами.

5.Функциональная блок-схема замкнутой САР.

Оптимальное управление применяют для повышения эффективности производственных процессов, показатель эф­фективности которых зависит не только от текущих значений коор­динат, но и от характера их изменения в прошлом, настоящем и будущем.

Функциональная блок-схема замкнутой САУ

 В замкнутых автоматических системах существует обратная связь, благодаря которой ха­рактер управляющих воз­действий опре­деляется (вычисляется) как функция состояния си­стемы. Наибольшее распространение в машинах и техно­логических процессах полу­чили частные виды замкнутых САУ — системы автоматического регулирова­ния (САР).

САР качественно изменяют ход технологического процесса по определенному закону или поддерживают постоян­ным опреде­ленный параметр процесса. Они измеряют управляе­мую величину и сопостав­ляют ее с заданным значением. Поэтому управляющее воздействие вы­рабатывается как функция отклонения (рассогласования) управляемой величины от пред­пи­санной. В таких системах обратная связь — это воз­действие выходной величины на вход своей системы. Функ­циональная блок-схема замкнутой САУ приведена на рисунке.

В системах автоматического регулирования регулирующий орган (РО) вырабатывает воз­действие 11(1), приводящее к стабили­зации управляемой величины у((). Измерительный эле­мент (ИЭ), размещенный в цепи обратной связи, изме­ряет действительное зна­чение управля­емого параметра и передает информацию на вход системы к сравнивающему эле­менту (СЭ). Новое управляющее воз­действие на исполнительное устройство (ИУ) осуществляется по ре­зультатам срав­нения заданного и фактического значений управля­емого параметра.

Основные принципы регулирования. Примеры, преимущества и недостатки.

Создание систем автоматизации литейных процессов неразрывно связано с глубоким знанием и правили использова­нием основ­ных принципов классической теории регулирования.

В общем случае система автоматического управления любым литейным процессом состоит из объекта управления (например, пи­тателя в процессе составления шихты, плавильного агрегата в про­цессе плавки, смесителя в процессе сме­сеприготовления и др.) и устройства управления — регуля­тора.

Система автоматического управления (регулирования) должна поддерживать выходную вели­чину объекта, называе­мую регулиру­емой (например, расход материала, влажность смеси, темпера­туру расплава и др.), равной заданному зна­чению, при действии на объ­ект возмущений. Значение выход­ной величины может быть постоянным (системы стабилиза­ции) или изменяться во времени (системы программного управления и следящие системы). Выполнение этого основного требования может быть достигнуто применением при построении системы автоматического управления различных принципов регулирования: регулирование по отклонению;     компенсация возмущений; комбинированное управление.

Принцип регулирования по отклонению регулируемой величины от заданной (принцип обратных связей) основан на измерении выходной величины объекта управления (температуры в печи, напри­мер), и ее сравнении с заданным значе­нием на входе регулирую­щего устройства. Система, построен­ная по такому принципу, представляет замкнутую систему управления с отрицательной обратной связью. Для реализации такой системы не требуется детальное знание всех харак­теристик печи и действующих на нее возмущений - управление температурой осуществляется всегда независимо от при­чин отклонения заданного значения.

В качестве примера - регулирование температуры в газовой печи. Термопара фиксирует измене­ние температуры в печи, а регуля­тор сравнивает текущее ее значение с заданным (например, 700°С). Он вырабатывает управляющее воздей­ствие, которое приводит в действие исполнительный меха­низм (редуктор), который перемещает регулирующий орган за­слонку крана, что приводит к измене­нию размера факела газовой горелки и, таким образом, поддерживает заданное зна­чение темпера­туры при любых внешних возмущениях, о которых нам ничего не нужно знать. Понятно при этом, что абсо­лютно точно поддерживать заданное значение система не в состоянии, поскольку сначала темпера­тура должна изме­ниться, затем это изменение должен зафиксировать регулятор и только по­том вы­работать управляющий сигнал.

Принцип компенсации возмущений основан на измерении возмущений, дей­ствующих на объект управления, и их последующей компенсации. В этом случае регулирующее воздействие вырабаты­вается регулятором в зависи­мости от величины возмущения. Такие системы являются разомкнутыми, так как в них от­сутствует обратная связь по регулируемому параметру. Для построения системы управления по принципу компенсации необходимо точно знать характеристики объекта управле­ния и возмущения. При воздействии на объект нескольких воз­муще­ний требуется знание характеристик каждого возмущения.

Таким образом, системы с регулированием по возмущению используют информацию о возмуще­ниях и принимают меры, чтобы эти возмущения не оказали влияния на выходную величину, т.е. компенсируют возмущения.

Рассмотрим систему регулирования температуры в печи, отапливаемой газом. Основное возму­щение – изменение давления газа в газопроводе, которое вызывает изменение расхода топлива и, следовательно, температуры в печи. Для компенсации бросков давления газа применяется регулятор, который получает информацию о давлении газа от датчика давления газа в подводящей газовой ма­ги­страли, и по предварительно заданному закону регулирования изменяет поло­жение задвижки крана. Давление в трубопроводе после регулирующего крана, а, соответственно, и перед горелкой будет стабильным, и перепады давления в трубе не будут влиять на темпе­ратуру в печи. Темпера­туру в печи при этом мы про­сто регистрируем при помощи термопары, подключенной к измеритель­ному при­бору, но не используем в системе регу­лирования, т.е. обратная связь отсутствует, и в си­стеме ре­гулирования отсутствует замкнутый контур регулирования по температуре. Установка кон­кретного значения температуры в печи, например, в 700°С в данном примере бу­дет осу­ществляться при по­мощи второго крана, установленного после стабилизирующего давление первого крана. Таким обра­зом, установку конкретной температуры будем производить вручную поворотом на заданный угол ручки крана подачи газа по шкале, зара­нее нанесенной на крышку под ручкой. А система регу­лиро­вания (работает по отклонению давления) постоянного давления на входе горелок как раз и обеспе­чивает постоянство температуры в печи за счет стабилизации ве­личины факела пламени, но только при неиз­менных остальных условиях плавки, так существуют другие возмущения, способные изме­нить температуру в печи. К ним относятся изменение температуры окружающей среды (зимой тем­пера­тура в печи при таком же расходе газа, как и летом, будет ниже), открыва­ние загрузочного окна (тепло интенсивно ухо­дит в атмосферу), загрузка шихты разной массы.

Еще одно возмущение – открывание дверцы печи. Поставим датчик открытия двери, датчик из­мерения угла ее от­крытия и таймер, регистрирующий длительность открытия. Тогда, но уже не регу­лятор, а компьютер системы регулиро­вания по заранее полученным специально для этой системы математическим моделям в зависимости от угла и продолжи­тельности открытия дверцы дополни­тельно воздействует на газовый кран, который откроется на дополнительный угол, вбросит опреде­ленное количество тепла в печь и вернется к своему исходному положению. Рукоятка основного крана, которым установлена нужная температура вручную, по-прежнему на за­данной позиции.

Таким образом, реализация принципа компенсации обусловливается необходимостью измерения каждого возмуще­ния, действу­ющего на объект, что в реальных условиях не всегда можно осуще­ствить.

Но если удается найти и скомпенсировать все возмущения, то такая система способна поддержи­вать абсолютно точно заданную температуру, при наличии достаточного запаса подводимой к печи энергии. На практике же все возму­щения сложно и дорого компен­сировать. Нескомпенсированность приводит к увеличению ошибки управления, которая может превысить допустимое значение, осо­бенно при управлении астатическими объектами, когда ошибки компенсации накапливаются и регу­лируемая величина отклоняется от заданного значения. Это основной недостаток принципа компен­сации возмущений.

Однако у таких систем есть большой плюс - управляющее воздействие на выходе регулятора со­здается непосред­ственно возму­щениями, причем формирование такого воздействия не зависит от прохождения возмущения через объект управления, т. е. система управления по возмущению прин­ципиально обладает свойством мгновенного формирования управляющего воздействия при появле­нии возмущения, что позволяет создавать системы управления с высоким быстро­действием. Поэтому принцип компенсации возмуще­ний приобретает особое значение при управлении сложными объек­тами, обладающими большими постоянными времени, существен­ным транспортным запаздыванием, когда применение принципа регулирования по отклонению затруднено. При этом создаются усло­вия для прогнозирования изменений вы­ходной величины объекта, т. е. реализации управления с упре­ждением, что повышает быстро­действие и точность работы всей системы управления.

Принцип комбинированного управления объединяет два ранее рассмотренных принципа и имеет два канала получе­ния каче­ственной информации — результаты измерения отклонения регулируемой переменной и результаты измерения возмущающих воздей­ствий. В комбинированной системе один регулятор компенсирует главное возмущение, действую­щее на объект управления, а второй регуля­тор, измеряя изменение регулируемой величины, подавляет остальные возму­щения, которые или не поддаются измерению, или для их компенсации требуется создание сложных устройств. Комби­ниро­ванное управление позволяет создать совершенные системы управления сложными объектами, под­верженными воз­действию многих возмущений в широком спектре, частот и амплитуд.

В нашем примере можно поставить на печь два регулятора – регулятор температуры из первого примера и регулятор давления из второго примера – получим комбинированную систему управле­ния, где регулятор давления учитывает и компенсирует основной воз­мущающий фактор, а регулятор тем­пературы скомпенсирует все остальные возмущения. При этом для чистоты эксперимента можно по­ставить на трубопровод для регулятора температуры свой второй кран сразу после крана, управляе­мого регулятором давления.

 

7.Объект управления и его свойства: определение, связи объекта, основные свой­ства, статические и динамиче­ские характе­ристики, примеры.

Процессы управления совершаются над объектами управления (ОУ), которыми являются части технологического процесса или агрегата, целиком технологические процессы, агрегаты, цехи, произ­водственные предприятия и т. д.

Объект автоматизации является основной составной частью автоматической системы, определя­ющей характер си­стемы, поэтому его изучению уделяется исключительное внимание. Сложность объекта определяется главным образом степенью его изученности и многообразием выполняемых им функций.

Проектированию автоматической системы управления должно предшествовать изучение объекта с целью установле­ния связей объекта и составления его математического описания (получение мате­матической модели объекта). В общем случае эти связи можно представить в виде четырех групп пе­ременных:

ü контролируемые возмущающие воздействия (управляющие воздействия), т.е. входные вели­чины Х;

ü выходные величины Y (регулируемые параметры);

ü неконтролируемые возмущающие воздействия.

На примере работы электрической печи с одним регулируемым пара­метром, можно опре­делить, что выходной величиной Y является температура, входной – количество энергии, подводимое к печи, неконтро­лируемые возмущающие воздействия – открывание двери печи, которое приводит к уводу тепла из её пространства, по­тери тепла через теплоизоляцию, изме­нение температуры окружающей среды.

Различие математических моделей объектов обуславливается их назначением. Эти модели опи­сывают различные ре­жимы работы объекта или системы управления и могут быть получены одним из способов: экспериментальным, анали­тическим, комбинированным или экспериментально-анали­тическим.

При экспериментальном способе уравнения моделей получают путем постановки специальных экспериментов (ме­тод активного эксперимента) или путем статистической обработки результатов длительной регистрации переменных объекта в условиях его нор­мальной эксплуатации (метод пас­сивного эксперимента).

При аналитическом описании уравнения моделей получают на основании физико-химических за­кономерностей про­текающих процессов.

При экспериментально-аналитическом подходе уравнения моделей получают аналитическим пу­тем с последующим уточнением параметров этих уравнений экспериментальными методами.

Уравнения, описывающие поведение системы регулирования в установившемся режиме при по­стоянных воздей­ствиях, называ­ются уравнениями статики.

Уравнения, описывающие поведение системы регулирования при неустановившемся режиме при произвольных входных воздей­ствиях, называются уравнениями динамики.

Статическая характе­ристика в математической или графической форме выражает зависимость выходных параметров от вход­ных Y=f(X), а динамическая характеризует поведение объекта в переходном процессе, является зависимостью величины выходного параметра от времени Y=f(t), а математически описывается диф­ференциальным уравнением.

Статическую хар-ку можно построить экспериментально, если подавать на вход объекта постоянные воз­действия и заме­рять выходную переменную после окончания переходного процесса. 

Для изучения сложных объектов используют прием, который заключается в условном представ­лении объекта в виде ≪черного ящика≫. При этом изу­чают, что делает объект, а не как он функционирует. Пове­дение объекта определяют по реакции выходных величин на изменение входных. Основным инстру­ментом для изучения такого объекта являются экспериментально-статистические математиче­ские методы. Методически изучение объ­екта осуществляется следующим образом: определяют главные па­раметры, устанавливают дискретный ряд изменения главных пара­метров, искусственно изменяют входные параметры объекта в пределах уста­новленного дискретного ряда, фиксируют все изменения выходов и статистически обрабатывают полученные результаты (т.е. проводят ряд экспериментов и опреде­ляют математическую зави­симость выходных пара­метров от входных – строят экс­перимен­тально-статистические модели).

 Примером простейшего объекта автоматического управления является гидрав­лический резер­вуар, в котором имеется приток и сток жидкости. Принципиальная (а) и структурная (б) схемы представ­лены на рисунке ниже.

 Выходным параметром, характеризующим со­стояние рассматриваемого объ­екта, яв­ляется уровень жидкости Н, который выби­рается в качестве выходной регулируемой вели­чины. Входным и соответственно регулирующим воздействием является скорость при­тока воды в резер­вуар Q, внешним возмущением – рас­ход воды из резервуара G. При постоянной степени откры­тия дросселя на при­токе жидкости, уровень определяется разностью (Q – G). По условиям работы объ­екта величина расхода G изменя­ется произвольно во времени. Уравнение динамики, описываю­щее зависи­мость уровня H в переходном режиме от G, в соответствии с законом гидравлики записы­вается в виде: , где S – площадь поперечного сечения резервуара.

Данное уравнение представляет собой математическое описание объекта регулирования – гид­равлической емкости и является обыкновен­ным дифференциальным уравнением 1-го порядка.

Из всех свойств объектов можно выделить главные, наиболее харак­терные: емкость, время раз­гона, способность к самовыравни­ванию (само­регулирование) и запаздывание.

Емкостью называют способность объекта аккумулировать рабочую среду и запасать ее внутри объекта. Накопление вещества или энергии возможно благодаря тому, что в каждом объекте имеется сопротивление выходу. В литейном про­изводстве емкостью обла­дают плавильные печи, разливоч­ные ковши, смесители, бункеры с исходными литейными мате­риалами, компрессоры и т.д. Чем больше емкость объекта, тем меньше скорость изменения параметра при одном и том же изменении количе­ства подаваемого (расходу­емого) вещества (энергии).

 Рассмотрим пример с электропечами сопротивления разной емкости. При одинаковой мощности нагревателей ско­рость нагрева до установленной температуры при включении печи будет выше у печи меньшего объема. Зависимость температуры в печи от величины подводимой мощности опре­деляется по статической характери­стике.

Статическая характеристика печи представляет собой зависимость вы­ходного параметра - темпе­ратуры от входного параметра – подводимой мощ­ности и может быть определена эксперимен­тально на объекте и изображена в виде гра­фика. Получить статическую ха­рактеристику печи на этапе её проектирования можно и теорети­чески.

Временем разгона объекта называют период, в течение которого регули­руемый параметр изменя­ется от исходной ве­личины до величины, соответ­ствующей номинальной (расчетной) нагрузке объ­екта при условии, что ско­рость поступле­ния регулирующей среды в течение этого времени остается постоянной – включаем электрическую холодную печь без системы регули­рования, и ждем, пока температура не выйдет на максимум. Время разгона определяем экспериментально по секундомеру.

Таким образом, кривой разгона называется реакция объекта (системы) на единичное ступенчатое воздействие при нулевых начальных условиях. На практике кривая разгона определяется экспери­ментальным путем и используется в ка­честве исходных данных для ана­лиза и синтеза систем автома­тического управления исследуемом объектом.

Регулируемый параметр объекта без вмешательства извне после нарушения равенства между притоком и расходом может само­стоятельно через некоторое время принимать новое постоянное значение. Это явление называют самовырав­ниванием (саморегулиро­ванием). Самовыравнивание способствует устойчивости регулируемого параметра, более быст­рой стабилизации регулируемой вели­чины в переходном процессе и, следовательно, облегчает работу регулятора.

Отсутствие самовыравнивания в объекте усложняет процесс регулирования и приводит к необхо­димости применять более слож­ные схемы регулирования.

Для электрической печи сопротивления самовыравнивание означает, что рано или поздно темпе­ратура в печи оста­новится без всякого регулирования, и произойдет это в момент установления рав­новесия между отводом тепла в окру­жающую среду и подачей энергии в печь.

Объекты, обладающие самовыравниванием, называют статическими, а не обладающие этим свой­ством — нейтраль­ными или астатическими.

Как правило, все объекты с тепловыми процессами обладают самовыравниванием, в том числе и те, в которых регу­лируется дав­ление пара или газа. Пример объекта с самовыравниванием - духовка газовой плиты (при увеличении подачи газа к горелке наступает равновесие между притоком тепла в духовку и его уводом в окружающее пространство, но уже при более высокой температуре).

Примером объекта без самовыравнивания может служить испарительный бак с непрерывной подпиткой (котел паро­вой машины). При соблюдении баланса между количеством испаряющейся жидкости и вливающимся потоком воды, уровень в баке сохраняется неизменным. Если скачкооб­разно изменить поток вливающейся жидкости, например, увели­чить, - уровень в баке начнет повы­шаться. Изменение уровня будет продолжаться до тех пор, пока жидкость не начнет переливаться.

Запаздывание — это время, проходящее между моментом нарушения равновесия и началом из­менения управляемой величины объекта. Оно обусловливается наличием сопротивлений и инерци­онностью системы. Различают два вида за­паздывания: чистое (или транспортное) и переходное (или емкостное), которые в сумме составляют общее запаздывание в объекте.

Примером объекта с транспортным запаздыванием является ленточный конвейер для подачи сы­пучих материалов.

Изменение толщины слоя смеси на выходе транспортера Y_o произойдет через какое-то время τ_o после изменения толщины слоя на входе ленты X_o. Время τ_o определяется скоростью движения ленты v и длиной ленточного конвейера L.

 

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться: