По характеру изменения заданного воздействия

ТЕОРИЯ

 АВТОМАТИЧЕСКОГО

 УПРАВЛЕНИЯ

 

Учебное пособие

по курсу «Теория автоматического управления»

 

Киров 2011

Введение

Основные понятия САУ

Автоматическим управлением называется процесс поддержания или изменения по заданному закону значений показателей какого-либо процесса за счет подачи на регулятор сигналов, определяемых действительным ходом этого процесса.

Регулируемой величиной в ТАУ называют физическую величину, которую нужно регулировать.

Машины или иные технические устройства, поведение которых управляются, называются объектами управления.

Совокупность устройств, с помощью которых обеспечивается поддержание или изменение по заданному закону регулируемой величины, называется регулятором или управляющим устройством.

Совокупность объекта регулирования и регулятора называется САУ (система автоматического управления).

Таким образом, назначением любой САУ называется поддержание или изменение по заранее заданному или случайному закону регулируемой величины. Отклонение регулируемой величины от заданного значения происходит под действием различных причин или, как их называют в ТАУ, – воздействие. Основными воздействиями, оказываемыми на САУ, являются задающие и возмущающие. Задающие воздействия определяют закон изменения управляемой величины. Возмущающие воздействия, основные и второстепенные, стремятся нарушить требуемую функциональную связь между задающим воздействием и регулируемой величиной. Основные возмущающие воздействия определяются нагрузкой системы. Второстепенные возмущающие воздействия обуславливаются главным образом отклонением параметров системы от их номинальных значений.

Характер переходных процессов в результате приложенного к системе воздействия зависит главным образом от структуры и свойств системы, а также от закона изменения воздействия во времени. Для исследуемых динамических свойств системы пользуются типовым воздействием, которое выбирается близким к наиболее неблагоприятному из всего разнообразия возможных реальных воздействий конкретной САУ. К типовым воздействиям относятся:

а) единичный скачок (единичное ступенчатое воздействие) - замыкание или размыкание цепи,  приложенное напряжение U(t), I(t) (рисунок 1,а);

б) гармоническое воздействие – изменение по синусоидальному или косинусоидальномузакону во времени (рисунок 1, б), используется при анализе динамических свойств САУ частотными методами;

в) воздействие в виде скачка скорости или ускорения – используется для исследования динамических свойств следящих систем, (рисунок 1, в);

г) импульсное воздействие d(t) – используется при исследовании переходных процессов импульсных САУ (t_И → 0, S= const; S→¥; ;  – импульс), рисунок 1, г.

 

а)                    б)                     в)                              г)

Рисунок – 1 Типовые воздействия

 

 

Реакция системы на единичное ступенчатое воздействие называется переходной функцией, реакция системы на - импульс – импульсной переходной функцией.

Обратные связи

Как было сказано выше, САУ есть процесс поддержания или изменения по заданному закону значений показателей какого-либо процесса за счет подачи на регулятор сигналов, определяемых действительным ходом этого процесса. Такая подача сигналов осуществляется при помощи средств обратной связи.

Если же функции управления системы не ставится в зависимость от действительного хода производственного процесса и выполняются по разомкнутому циклу, то такие системы называются разомкнутыми (рисунок 2, а), в отличие от САУ, называемыми замкнутыми (рисунок 2, б)системами.

Примером разомкнутой системы могут служить схемы пуска асинхронного двигателя с помощью магнитного пускателя, системы СМУ-Д; Г-Д; ТП-Д без обратных связей.

             а)

 

Рисунок 2 - Разомкнутая (а) и замкнутая (б) системы

б)

Р – регулятор:

УУ – управляющее устройство;

У - усилитель; СП – силовой преобразователь;

ОУ - объект управления:

М(Д) – машина (двигатель);

Мех – механизм:

Ω - скорость;

СЛИ – средство логической информации (технической информации):

ТГ – тахогенератор;

Y – задающее воздействие;

Δ М_С – основное возмущающее воздействие;

ΔU _УУ, ΔU _СП, ΔU _ТГ – второстепенные возмущающие воздействия.

 

Рисунок 2 (продолжение) – Разомкнутая (а) и замкнутая (б) системы

 

Функциональная схема САУ с разомкнутой цепью воздействия (из-за отсутствия характеристики действительного хода процесса точность выполнения заданного режима в такой системе относительно мала).

Основным назначением обратной связи (ОС) является передача информации о действительном значении показателей хода процесса для формирования управляющего воздействия, направленного на поддержание заданного режима объекта управления. Обратные связи САУ служат для формирования статистических и динамических характеристик систем.

Обратная связь, служащая для сравнения действительного и заданного значений управляемой величины, т.е. соединяющая выход системы с ее входом и охватывающая все основные элементы системы, называется главной. Системы, имеющие одну главную обратную связь, называются одноконтурными. Некоторые САУ, помимо главных ОС, число которых определяется числом регулируемых величин, имеют еще несколько дополнительных (местных). Последние соединяют выход и вход одного или нескольких элементов системы. САУ, имеющие, кроме главной, еще одну или несколько дополнительных обратных связей, называются многоконтурными. В ЭП используется до четырёх контуров: по пути, скорости, по напряжению или э.д.с., по току.

В зависимости от характера передаваемого воздействия О.С. подразделяются на жесткие и гибкие. Жесткие обратные связи действуют как в установившемся, так и в переходном режиме системы. Средства жесткой ОС - различные датчики (измеряющие устройства), передающие сигнал на узел сравнения. Гибкие ОС (ГОС) действуют только в период переходного процесса. Они передают воздействия, являющиеся  - или ∫ -ми величин, меняющихся во времени с целью корректирования переходных процессов в нужном направлении. Средства ГОС – устройства дифференцирования (емкостные и индукционные дифференцирующие контуры, стабилизирующие трансформаторы и др.) и интегрирования (емкостные и индукционные интегрирующие контуры и др.) в сочетании с усилителями или без них.

По оказываемому на систему действию ОС делятся на положительные и отрицательные. ОС называется положительной (рисунок 3, а), если с увеличением сигнала на выходе управляющий сигнал на входе увеличился и отрицательной (рисунок 3, б), если он при этом уменьшается.

               

                   а)                б)

                    

 

Рисунок 3 – Положительная и отрицательная ОС

 

 

Классификация САУ

По характеру изменения заданного воздействия

  Системы автоматической стабилизации – предназначаются для поддержания постоянства регулируемой величины Х (Х – может быть n, U, I, P, а, р_атм, _курса и т.д.).

  Системы программного управления - служат для изменения управляемой величины во времени по определенному заранее установленному закону (называемому программой), например система управления температуры закалочной печи.

Следящие системы применяются для поддержания соответствия регулируемой величиной Х и заданным воздействием Х₀ при случайных, заранее неопределенных изменениях Х₀ во времени, например, слежение антенной радиолокатора за движением самолета.