Автоматические системы управления (АСУ) состоят из отдельных элементов, которые выполняют определенные функции технологического процесса в объектах автоматики.
К основным функциональным элементам АСУ относят: задающий элемент (ЗЭ), воспринимающий элемент (ВЭ), элемент сравнения (ЭС), управляющий элемент (УЭ), исполнительный элемент (механизм) (ИЭ), регулирующий орган (РО), объект управления (ОУ).
Рисунок 3.7 – Условные обозначения на функциональных схемах:
а – функционального элемента; б – элемента сравнения.
Задающий элемент (ЗЭ) служит для установки задания регулятору, он вырабатывает эталонную величину х0,с которой сравнивается фактическое значение управляемой величины у. ЗЭ задает алгоритм функционирования управляемому объекту.
Воспринимающий (измерительный, чувствительный) элемент (ВЭ) (датчики) предназначен для получения информации о фактическом значении управляемой (регулируемой) величины объекта в виде сигнала определенной физической природы.
|
|
Элемент сравнения (ЭС) служит для сравнения задания xo(t) ифактического значения управляемой величины y(t),на выходе этого элемента получается результат сравнения в виде ε = х 0(t) – у 0(t).Для этого обе сравниваемые величины должны быть одинаковой физической природы.
Управляющий элемент (УЭ) формирует управляющий сигнал согласно принятому алгоритму управления. Так как поступающий на УЭ сигнал обычно имеет малую мощность, то в большинстве случаев он усиливается до мощности, достаточной для приведения в действие исполнительного механизма. При формировании более сложных алгоритмов управления в качестве УЭ могут быть логические элементы и электронные вычислительные машины. В УЭ входят усилители.
Исполнительный элемент (ИЭ) преобразует управляющий сигнал в управляющее воздействие u(t) на управляемый объект через его управляющий (регулирующий) орган. Если регулирующий орган объекта требует механического перемещения (задвижка, реостат и т. п.), то ИЭ называют исполнительным механизмом или сервомеханизмом.
Корректирующие элементы (КЭ) улучшают динамические свойства процесса регулирования и вводятся в автоматическое управляющее устройство при обоснованной необходимости.
Каждый функциональный элемент выполняет элементарную функцию, которая заключается в получении, преобразовании и передаче информации в виде сигналов определенной физической природы. Для удобства анализа работы автоматического устройства функциональные элементы представляют устройствами однонаправленного действия, то есть передающими сигнал в одном направлении: со входа на выход.
|
|
Классификация АСУ
Рисунок. 3.6 – Классификация автоматических систем управления (регулирования)
Первый из признаков – назначение информации, в соответствии с которым автоматические СУ делят на замкнутые и разомкнутые.
Замкнутые системы используют текущую информацию о выходных величинах, определяют отклонение ε(t) управляемой величины Y(t) от ее заданного значения Yo и принимают действия к уменьшению или полному исключению ε(t). Простейшим примером замкнутой системы, называемой системой регулирования по отклонению,служит система стабилизации уровня воды в баке. Система состоит из измерительного преобразователя (датчика) уровня, устройства управления (регулятора) и исполнительного механизма,управляющего положением регулирующего органа (клапана).
Признак замкнутой системы, действующей на отклонение регулируемой величины, – обратная связь с выхода ОУ на его вход. Замкнутые системы этого типа компенсируют любые возмущения, поскольку регулятор контролирует только отклонение регулируемой величины независимо от причины, его вызвавшей. Они не могут обеспечить равенство выходной величины Y(t) заданному значению Y 0в течение всего времени t управления, так как их принцип работы связан с наличием отклонения ε = Y(t) – Y0.
Разомкнутые автоматические СУ подразделяют на системы с жесткой программой и с управлением по возмущению. Пример систем первого типа — система автоматического пуска и остановки комплекса машин, входящих в технологическую линию, в которой должна выдерживаться определенная последовательность (программа) работы отдельных механизмов, при этом ОС с выхода объекта на его вход отсутствует.
В разомкнутых АСУ, действующих по возмущению, управление осуществляется на основании информации о входных (возмущающих) воздействиях. В системах регулирования уровня воды таким возмущением является изменение давления воды в подающем трубопроводе.
В реальных системах возможна компенсация одного или нескольких поддающихся измерению возмущений. Если таких возмущений несколько, то для компенсации каждого из них необходим свой контур регулирования. При этом всегда останется часть возмущений, в том числе случайных и неконтролируемых, которые могут вызвать отклонение регулируемой величины Y(t ) от заданной Y0.
Выход из этого – сочетание обоих принципов управления (по возмущению и отклонению). Такую систему называют комбинированной,и ее преимущество по сравнению с системой, действующей по отклонению, в лучшей стабилизации регулируемой величины.
Стабилизирующие системы поддерживают управляемую величину на заданном уровне, программные – изменяют управляемую величину по заданной программе и следящие –обеспечивают измерение управляемой величины в определенном соотношении к задающему воздействию. В защищенном грунте пример стабилизирующей СУ – система регулирования температуры грунта, программной СУ – система управления температурой в зависимости от времени суток, следящей СУ – то же, но в зависимости от уровня естественной освещенности.
По методу управления автоматические СУ подразделяют на приспосабливающиеся (адаптивные) и неприспосабливающиеся к изменяющимся условиям работы ОУ.
Приспосабливающиеся, или адаптивные, автоматические СУ целенаправленно изменяют алгоритмы управления или параметры управляющих воздействий для достижения наилучшего управления объектом. Поскольку в процессе работы таких систем происходит изменение их алгоритмов и (или) структуры, то их называют также самонастраивающимися. Частный случай приспосабливающихся систем – экстремальные, задача которых – автоматический поиск максимума или минимума управляемой величины.
|
|
Следующий признак классификации связан с результатом работы системы в установившемся состоянии. В соответствии с ним автоматические СУ делят на статические и астатические.
В статических системах по окончании переходного процесса существует разница между заданным и установившимся значениями управляемой величины, которую называют статической ошибкой. Статическая ошибка ΔYСТ – непременный признак таких систем, причем величина ее зависит как от величины возмущения, так и от параметров настройки регулятора.
В астатических системах управляемая величина по окончании переходного процесса равна заданному значению. Возможное отклонение (ошибка управления), свойственное реальным системам автоматики, обусловлено несовершенством ее элементов.
По характеру изменения управляющих воздействий во времени автоматические СУ делят на непрерывные и прерывистые, или дискретные.
В непрерывных системах управляемая величина и управляющее воздействие – непрерывные функции времени.
Прерывистые автоматические СУ подразделяют на релейные, импульсные и цифровые.
В релейных (позиционных) системах один из элементов, обычно это управляющее устройство (УУ), имеет существенно нелинейную (релейную) характеристику, в соответствии с которой управляющее воздействие изменяется скачкообразно при определенном значении управляемой величины. Такова, к примеру, система управления водонагревателем, в которой регулятор температуры включает электронагреватель при снижении температуры воды до определяемого настройкой регулятора значения.
Импульсные автоматические СУ имеют в своем составе звено, преобразующее управляемую величину в дискретную импульсную. При этом управляемой величине пропорциональна амплитуда или длительность импульсов.
В цифровых системах формирование управляющих воздействий осуществляется цифровыми вычислительными устройствами, которые оперируют не с непрерывными сигналами, а с дискретными числовыми последовательностями.
|
|
Следующий признак классификации – число управляемых величин. В соответствии с этим признаком автоматические СУ делят на одномерные и многомерные. Одномерные имеют по одной входной и выходной величине, а многомерные – по нескольку.
По виду дифференциального уравнения автоматические СУ подразделяют на линейные и нелинейные. К линейным относят системы, поведение которых описывается линейными дифференциальными уравнениями. Поскольку систем, абсолютно точно описываемых линейными дифференциальными уравнениями, практически не существует, сюда относят также линеаризованные системы, описываемые линейными дифференциальными уравнениями приближенно, при Некоторых допущениях и ограничениях. К нелинейным относят системы, поведение которых описывается нелинейными дифференциальными уравнениями, причем в системе достаточно иметь всего один нелинейный элемент, чтобы вся она стала нелинейной.
Типы схем АСУ