ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ
ОСНОВЫ ТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
В общем случае процесс управления можно условно разбить на совокупность следующих функций: планирование или определение программы управления; контроль; формирование управляющего воздействия или принятие решения; реализация управляющего воздействия или решения.
Вариант функциональной схемы системы управления. Она включает в себя программатор, определяющий программу или план управления; устройство сравнения, осуществляющее операцию контроля; устройство формирования управляющего воздействия; исполнительный орган, реализующий управляющее воздействие; объект управления; первичный преобразователь, который переводит информацию о состоянии объекта управления на физический носитель.
Если план и программа управления известны и могут быть сообщены системе заранее, то задача управления упрощается Этот частный случай задачи управления называют задачей регулирования. Функциональная схема системы регулирования (рис .3.1, б) отличается от схемы системы управления отсутствием программатора. Желаемое состояние объекта задается извне.
Состояние объекта регулирования характеризуется рядом величин воздействия на объект как внешней среды и процессов внутри самого объекта, так и регулирующих устройств.
Контролируемый параметр технологического процесса, который необходимо поддерживать постоянным независимо от внешних условий или режимов работы или изменять по некоторому закону, называется регулируемым параметром или регулируемой величиной.
Значение регулируемой величины, которое необходимо получить при заранее заданных режимах ее работы, называют заданным значением.
Действующие возмущения вызывают отклонение регулируемой величины от заданного значения.
Отклонением регулируемой величины называется разность между значением регулируемой величины в данный момент времени и ее значением, заданным или принятым за начало отсчета.
В регулятор обычно входят: измерительное устройство, измеряющее отклонение регулируемого параметра от заданного значения (его называют чувствительным элементом регулятора); устройство, с помощью которого это заданное значение регулируемой величины может быть установлено; задающее (иногда говорят суммирующее) устройство (задающее устройство вырабатывает управляющее воздействие, которое называют установкой регулятора); управляющее устройство, определяющее по величине отклонения регулирующее воздействие; усилитель; исполнительный механизм, изменяющий положение регулирующего органа объекта под воздействием управляющего устройства.
Регулирующим органом называют устройство, непосредственно изменяющее количество веществ или энергии при регулировании.
В различных случаях отдельные элементы регулятора могут быть объединены или могут отсутствовать. Так, во многих современных вторичных приборах, электронных потенциометрах и мостах, используемых в схемах регулирования, измерительное, задающее и сравнивающее устройства совмещены.
Если чувствительный элемент регулятора развивает при отклонении регулируемого параметра от заданного значения усилие и энергию, пропорциональные этому отклонению и достаточные для перемещения регулирующего органа с требуемой скоростью, регулирующий орган непосредственно соединяют с чувствительным элементом. В этом случае регулятор называют регулятором прямого действия. Эти регуляторы применяются в простейших объектах регулирования для поддержания постоянными давления, уровня и температуры. Область применения регуляторов прямого действия ограничена объектами, требующими небольших усилий для перемещения регулирующих органов.
Во всех остальных случаях чувствительный элемент регулятора используется только в качестве командного прибора: сигнал с чувствительного элемента управляет каким-либо усилителем (гидравлическим, пневматическим, электронным и т.п.), в котором за счет подвода энергии извне развиваются усилия и мощности, достаточные для перемещения регулирующего органа. Регулятор, включающий такого рода усилитель, называют регулятором непрямого действия.
Ни один регулятор не может точно выдержать заданное значение регулируемой величины, так как по самому принципу действия регулятор вступает в работу только после того, как процесс нарушился под действием того или иного возмущения. Изменение регулируемого параметра во времени, происходящее в результате какого-либо возмущения и вызванного этим возмущением действия регулятора, называется процессом регулирования.
Возникающая в процессе регулирования разность между заданным и действительным значениями регулируемой величины называется ошибкой регулирования.
Сохранение ошибки регулирования в допустимых пределах является основным требованием, предъявляемым к системам автоматического регулирования.
В общем случае совокупность взаимодействующих определенным образом друг с другом объекта регулирования и автоматического регулятора принято называть автоматической системой. Точку приложения воздействий называют входом системы, а точку, в которой наблюдается результат этого воздействия, - выходом.
Воздействие, подаваемое на вход системы или элемента, называют входным воздействием. Воздействие, выдаваемое на выходе системы или элемента, называют выходным воздействием. Таким образом, свойства системы или элемента можно характеризовать, описав выполняемые ими преобразования входных действий в выходные.
Внешними возмущающими воздействиями (возмущениями) называют воздействия, стремящиеся нарушить требуемую функциональную связь между задающим воздействием и регулируемой величиной. Различают три вида внешних воздействий: нагрузка, настройки, помехи.
Нагрузкой называют внешнее воздействие, приложенное к объекту регулирования, не зависящее от регулятора, и от которой объект принципиально не может быть защищен.
Настройкой называют возмущения, приложенные к каким-либо элементам регулятора преднамеренно, с целью изменения значения регулируемой координаты, поддерживаемой регулятором.
Помехами называют побочные внешние воздействия на отдельные элементы регулятора или объекта регулирования, не требуемые для нормальной работы системы, уменьшение или устранение которых улучшает работу объекта.
Так, например, в автоматической системе регулирования питания парового котла нагрузкой являются воздействия, возникающие в результате изменения отбора пара потребителем; воздействия на задатчик регулятора для изменения поддерживаемого уровня - настройка; воздействия, возникающие вследствие колебания напряжения питания измерительного блока регулятора, - помеха.
Под задающим воздействием понимают воздействие на систему, определяющее требуемый закон изменения регулируемой величины.
Под влиянием возмущающих и задающих воздействий регулируемый параметр может изменяться. Автоматическая система в случае поступления нового задающего воздействия должна соответственно заданию обеспечить с заданной степенью точности новое значение регулируемого параметра в установившемся режиме.
При поступлении возмущающих действий автоматическая система должна обеспечить с заданной степенью точности значение регулируемого параметра, соответствующее прежнему установившемуся режиму, т.е. ее заданному значению.
За установившийся принимается такой режим, при котором расхождение между истинным значением регулируемой величины и ее заданным значением будет постоянным во времени.
Переход системы от одного установившегося режима к другому при каких-либо воздействиях называется переходным процессом.
В общем случае в установившемся режиме регулируемая величина может быть постоянной, изменяться по определенному заданному закону или изменяться по заранее неизвестному закону в соответствии с изменением ведущей величины. Поэтому установившийся режим в теории автоматического регулирования называется невозмущенным движением системы. Переходный процесс в системе определяет возмущенное движение системы, характеризующее отклонение координат системы и их производных от установившихся значений при невозмущенном движении системы. Таким образом, можно сделать вывод, что возмущенное и невозмущенное движения системы полностью определяют процесс регулирования.
Возмущающие воздействия на автоматическую систему представляют собой непрерывно изменяющиеся функции времени и поэтому при исследовании работы системы не представляется возможным практически учесть действительный характер изменения этих воздействий. В связи с этим принято рассматривать реакцию автоматической системы на возмущающие воздействия в форме одной из типовых функций, которую можно описать математически. К числу таких типовых функций (воздействий) относятся единичный скачок (единичное ступенчатое воздействие); единичный импульс (под этой функцией понимается импульс бесконечно большой величины и бесконечно малой продолжительности); гармоническое (синусоидальное) воздействие; воздействие, непрерывно возрастающее с постоянной скоростью.
При анализе автоматических систем основным возмущающим воздействием принимают гармоническое колебание.
При этом на вход системы подается сигнал, изменяющийся по синусоидальному закону с некоторой частотой и амплитудой. Выходная величина этой системы также представляет собой непрерывно колеблющийся сигнал определенной амплитуды и частоты. При этом частота выходного сигнала совпадает с частотой входного и обе величины входа и выхода имеют синусоидальную форму. Максимальное же значение амплитуд в зависимости от реакции системы различное и сдвинуто во времени.