Входными называются величины, изменение которых приво­дит к изменению выходных величин

Обобщенная функциональная схема системы автоматического управления

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Оценивание параметров случайных процессов.

Квантилью x_p случайной величины, имеющей функции распределения F(x) =P.

Медианой называется квантиль, соответствующий значению P=0.5.

В основе принципа действия систем управления лежит вза­имодействие объекта и управляющего устройства. В не автомати­ческих системах функцию управляющего устройства берет на себя оператор. Взаимодействие оператора и объекта подчинены опреде­ленной цели, как правило, поддержанию постоянства или измене­нию по определенному закону параметра, характеризующего состо­яние объекта (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Структура взаимодействия оператора и объекта

Так если в качестве объекта управления (ОУ) выбрана тепло­вая камера, то ее состояние (состояние среды в ней) характеризуется таким параметром как температура. Задача, цель оператора - подде­рживать ее постоянной, например, 200 градусов. Оператор соверша­ет ряд последовательно фиксированных во времени и в определен­ной последовательности операций, которые позволяют осуществить цель управления. Эти операции необходимы, а их набор представ­ляет собой то минимальное количество функций управления, без которых процесс управления невозможен. Можно выделить следу­ющий набор элементарных операций управления:

1. Измерение, контроль, фиксирование значения выходного параметра объекта, характеризующего его состояние (температура, давление, масса, производительность и т.д.) (ФИ);

2. Сравнение текущего значения параметра с заданным, опре­деляющим необходимое выбран­ное состояние объекта (ФС);

3. Получение и оценка

сигнала ошибки, рассогласования ∆ между текущим и заданным зна­чением управляемого параметра (ФО);

4. Выбор направления воз­действия на входные параметры объекта, изменяющие режим его функционирования с тем, чтобы вернуть выходной параметр объектак заданному состоянию, а ошибку рассогласования сделать рав­ной нулю.

Необходимо обратить внимание на естественность выбора та­кого набора операций управления, если проанализировать наши еже­дневные действия в роли оператора по достижению элементарных целей. Например, операция поддержания постоянства температуры ряда бытовых нагревательных приборов реализуются практически интуитивно, автоматически на уровне подсознания. Это операции определения текущего значения температуры, сравнения его с необ­ходимой, то есть заданной t ', определения отклонения между ними с учетом знака и соответственно с этим увеличение или уменьше­ние расхода энергии, подаваемой в объект.

Стандартный набор операций по управлению лежит в осно­ве идеологии и методов проектирования систем автоматического управления (САУ). Очевидно, для того, чтобы перейти от неав­томатической к автоматической системе управления, необходимо стандартный набор операций, функций управления реализовать с помощью технических устройств. Таким образом, любая система автоматического регулирования строится по универсальному при­нципу, включая в себя, как правило, стандартный набор функцио­нальных элементов.

Функциональная схема САУ дана на (рис. 1.2). Она фиксирует

4 главные функции процесса уп­равления. Подразумевается, что каждую из этих функций можно реализовать с помощью техни­ческих устройств.

Рис. 1.2. Функциональная схема САУ

Так функция измерения и контроля текущего значения вы­ходного параметра объекта реа­лизуется стандартным набором датчиков, функция сравнения текущего и заданного значений управляемого параметра может быть, например, реализована с помощью электронного усилителя с прямым и инверсным входами. На выходе усилителя получа­ется разностный сигнал ошибки.

Наиболее сложная для реализации функция 4, которая в свою очередь распадается на ряд еще более элементарных функций: уси­ления сигнала ошибки (ФУ), реализации силового воздействия по изменению входной величины объекта (ФСБ), изменения входной величины (ФВВ). Функция 4 выполняется набором технических устройств: усилитель (У), исполнительный механизм (ИМ), регу­лирующий орган (РО) (рис. 1.3).

Выбор знака ошибки, сигнала рассогласования, связан с про­тивофазным изменением управляемой и управляющей величин, т.е. если Ху увеличивается, то управляющая Хвх величина должна про­порционально уменьшиться и наоборот. Так, если необходимо ста­билизировать температуру t° в тепловом объекте, например в нагре­вательной печи, то алгоритм управления очевиден: если V больше заданной £з, то расход топлива Q надо уменьшать и наоборот.

В технической системе управления автоматизм выполнения этого условия обеспечивается следующим образом. Если ошибку ∆ выбрать как результат разности Х_З и Xвых, то ее знак будет автомати­чески определять направление изменения Ху: ∆ = X_З – X_вых.

Если X_У > X_З, то ∆ < 0 (и Xвх надо уменьшать), а если X _У< X_З

то ∆>0 (и Х_ВХ надо увеличивать).

Полученный знак ∆ условен и дает только информацию о том, в каком направлении необходимо менять X_ВХ, При технической реа­лизации системы надо обеспечить выполнение этого условия,

Так в приведенном примере, если текущее значение t_У больше t_З и ∆ = t_З —t_У < 0. то подключение силового механизма, например элек­тродвигателя к усилителю сигнала ошибки ∆, должно обеспечить

Рис. 1.3. Функциональная схема реализаций четвертой элементарной функции управления

такое перемещение регулирующего органа при котором расход топ­лива Q уменьшается и наоборот, если t_Y меньше t₃, то ∆ > 0 и двигатель должен изменить направление вращения в сторону увеличения Q.

В системе действует отрицательная обратная связь. Ошибка ∆ является движущим сигналом системы. Ее возникновение приводит в действие все элементы системы, заставляя изменяться управляемую величину до тех пор пока она не сравняется с заданной. Появление ошибки ∆ приводит в процессе управления к ее самокомпенсации.

При построении САУ необходимо отталкиваться от поня­тия процесса, происходящего в объекте управления (техническое устройство или физическая среда, в которых происходит процесс подлежащий управлению). Процесс, как правило, связан с преобра­зованием потока энергии или материального потока в силовое воз­действие, расход, температуру и т.д.

Существует основная характеристика объекта, позволяющая его оценивать и называемая управляемым параметром X_ВЫХ процес­са, его состояние можно менять с помощью параметра на входе объ­екта, который называется управляющим X_ВХ.. Существуют и другие входные параметры, изменяющие состояние процесса. Но, если не ставится цель изменить состояние объекта с их помощью, то назы­ваются возмущающими воздействиями f.

Состояние объекта может характеризоваться целой совокуп­ностью входных и выходных переменных. Так в дизеле (тепловой двигатель) (ТД) процесс, подлежащий управлению, сводится к пре­образованию потока энергии от сгорающего топлива в физические величины иного рода (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Входные и выходные

величины теплового двигателя

Причем в качестве набора выходных параметров можно рас­сматривать: М_дк - движущий момент, N - мощность на валу двигате­ля, со - угловые обороты двигателя, а - угол поворота вала ТД, а в качестве входных переменных - G - расход топлива, q - изменение октанового числа топлива, М_n - момент нагрузки.

Однако, как правило, про­цесс в объекте может быть оха­рактеризован достаточно полно парой переменных на входе и выходе, связанных между собой. Выбор этой пары определяется т акже целью управления, которая может формироваться исходя из общей технологической задачи, выполняемой системой управления.

Выходные величины есть реакция на изменение входных. Не всегда состояние объекта может быть охарактеризовано интересу­ющим нас параметром. Так, при пропаривании железобетонных изделий цель управления - получение изделий определенной про­чности. Однако, измерить этот параметр для всех изделий в процес­се тепловой обработки практически невозможно. Поэтому выбира­ется косвенный параметр - температура, который взаимосвязан с прочностью. Для дизеля, если желательно поддержание момента М постоянным, можно вместо этого параметра использовать угловые обороты, стабилизация которых гарантирует постоянство мощнос­ти и момента. Это косвенные переменные управления.

Таким образом, основу принципа действия САУ составляют два важнейших понятия: обобщенная функциональная структура с обязательным минимально необходимым набором элементарных функций и отрицательная обратная связь, обеспечивающая само­компенсацию ошибки управления.

Техническая структура системы в виде принципиальной схе­мы отображает ее функциональную структуру, реализуя ее отде­льные функции управления в виде физических элементов.