Системы автоматического управления

5 Системы автоматического управления.

5.1 Основы теории автоматического управления и регулирования.

5.1.1 Понятия об автоматическом управлении и регулировании.

Под управлением понимают такую организацию процесса, которая обеспечивает заданный характер протекания процесса. При этом сам процесс является объектом управления, а переменные, характеризующие состояние процесса, называются управляемыми переменными или управляемыми величинами. Если управление объектом осуществляется без участия человека, то такое управление является автоматическим. Автоматическое управление в общем случае должно обеспечить любые законы протекания управляемого процесса, т.е. любые режимы работы объекта управления.

Если автоматическое управление призвано обеспечить изменение (поддержание) управляемой величины по заданному закону, то его называют автоматическим регулированием. Следовательно, автоматическое регулирование можно рассматривать как частный вид автоматического управления.

Совокупность технических устройств, обеспечивающих автоматическое регулирование, является автоматической системой регулирования (АСР). Любая АСР может быть представлена как совокупность технологического объекта управления (ТОУ) и регулятора (или нескольких регуляторов). Воздействия, прикладываемые к регулятору для обеспечения требуемых значений управляемых величин, являются управляющими воздействиями. Управляющие воздействия называют также входными величинами, а управляемые - выходными величинами. Физические элементы, к которым прикладываются входные величины, служат входами, а физические элементы,  в которых наблюдается изменение управляемых переменных – выходами.

5.1.2  Автоматическая система и ее структура.

Рекомендуемые материалы

 Система автоматического управления представляет собой совокупность объектов управления (ОУ) и устройств управления (УУ). (ОУ) – может быть физическое тело, устройство и система применительная к производственным  объектам.  

1. Рабочие органы технологических машин

   - манипуляторы

   - шпиндели                                                                                                                                                                       

   - столы

   - суппорты и т.д.

2. Технологическая машина или станок в целом.

3. Система технологических машин.

   - складские

   - транспортные

   - промышленные роботы.                                                                                                                                                                                        

УУ – это совокупность средств механизмов обеспечивающих процесс управления. Для осуществления процесса управления ОУ должен иметь управляющее устройство (УУ).

                                                        

Рисунок 14 – Одномерная САУ

Одномерная САУ имеющая одну управляемую переменную y(t), одно задающее воздействие x(t), одно возмущающее воздействие f(t) и одно управляющее воздействие  u(t). ЧЭ – чувствительный элемент.

Состояние объекта управления характеризуется переменной величиной y(t). Переменная x(t) определяет закон изменения y(t). Возмущающее воздействие f(t) в технологической системе может изменить эту закономерность. Это:

- качество покупных материалов.

- неравномерность припусков и твердости поверхностного слоя.

- колебание напряжения и т.д.

                 УУ

       x(t)                                                                          u(t)

Рисунок 19- Схема УУ

Рассмотрим все элементы системы УУ. ЧЭ – служит для измерения задающего воздействия x(t). УПУ – усилительно – преобразовательное устройство формирует алгоритм управления. То есть производится сравнение информации о действительном и желаемом состоянии объекта и выполняет необходимые математические и логические операции по выработке управляющего сигнала.

ИМ – исполнительный механизм приводит в движение управляющий орган, оказывающий управляющее воздействие u(t) на объект управления.

Основные требования, предъявляемые к УУ производственными процессами:

1. Обеспечение заданной точности управляющих параметров.

2. Обеспечение быстродействия процесса управления.

3. Обеспечение устойчивости и заданной производительности процессов управления.

4. УУ должно легко переналаживаться и обеспечивать ручное и автоматическое управление.

5.1.3 Классификация автоматических систем управления.

Рисунок 15- Классификация автоматических систем

САУ по способу противодействия влияния внешних возмущающих факторов, ухудшающих работу САУ, подразделяются на обыкновенные и адаптивные.

  Обыкновенные имеет неизменную структуру САУ постоянный алгоритм управления и постоянные коэффициенты передачи. При изменении внешних условий работы, качество управления таких САУ существенно изменяется.

Адаптивные – автоматически приспосабливаются к внешним условиям работы и к изменениям свойств объектов. Они могут улучшать свою работу по мере накопления опыта, т.к. имеют в своем составе кибернетические устройства и даже менять структуру САУ.

 По принципу формирования управляющего воздействия, поступающего на управляющий орган САУ, обыкновенные делятся на системы: разомкнутого, замкнутого и комбинированного типов. На рисунке 14 приведена структурная схема САУ разомкнутого типа, в которой для выработки управляющего воздействия используется информация о цепи управления, а действительное значение регулируемой переменной не контролируется. Также имеются две разновидности САУ разомкнутого типа:

1. – когда управление производится по заранее рассчитанной программе x(t). Это управление от кулачков, упоров, командоаппаратов с шаговыми двигателями – эти САУ наиболее простые и широко применяются в технологическом оборудовании.

Точность управления их зависит от точности исполнения кулачков, упоров.

2я – когда управление формируется по измерению возмущающего воздействия f(t). Рисунок 5.1.

САУ замкнутого типа работают по принципу обратной связи. Рисунок 16

Комбинированная  САУ – здесь используется одновременно принцип по возмущению и управлению.

По характеру управляющего воздействия системы АУ с одной управляемой величиной подразделяются на 3 типа:

1.Системы автоматической стабилизации.

2.Системы программного управления.

3.Следящие системы.

В системах автоматической стабилизации управляющее (входное) воздействие не изменяется во времени. Такая система отрабатывает возникающие отношение регулируемой величины от заданного. Именно такое регулирование обеспечивается в АСР.

В системах программного управления управляющее (входное) воздействие изменяется во времени по заданному закону. Такие системы применяются для управления процессами, характер протекания которых известен.

В следящих системах характер изменения управляющего воздействия определяется процессами, происходящими вне системы, и поэтому характер воздействия не может быть определен. Эти системы используются для обработки возмущений, характер которых неизвестен заранее. Пример: копировальные системы.

По глубине приспосабливаемости адаптивные системы подразделяются на: 

- самонастраивающиеся

- самоорганизующиеся

- самообучающиеся

Самонастраивающиеся – имеют простую структуру, но в зависимости от изменения внешних условий изменяется коэффициент передачи звеньев, а, следовательно, изменяется управляющее воздействие.

Самоорганизующиеся – в зависимости от изменения внешних условий они изменяют свою структуру, т.е. добавляются отдельные звенья.

Самообучающиеся – в процессе управления изменяется не только структура САУ, но и алгоритм управления по которому они построены.

Системы стабилизации, компенсации, оптимизации – это вспомогательные системы, которые работают в комплекте с другими системами. 

Системы стабилизации – поддерживают постоянство регулируемого параметра при изменении условий протекания процесса. Системы компенсации – эти системы автоматически изменяют регулируемый параметр по заданному закону.

Системы оптимизации – обеспечивают оптимальное выполнение процесса при различных условиях его протекания.

Если входная или выходная информация задаётся в вид аналога уровня напряжения, силы тока, то это аналоговая САУ.

Если информация задаётся по следованию импульса – импульсные системы. Достоинством импульсных систем САУ является точность управления.

Смешанные САУ – это комбинация аналоговых и импульсных систем.

Пример. Электронный датчик (аналоговая система), управляемый от импульсной системы.

Сложность современных автоматических систем не позволяет дать их однозначную классификацию, т. к.  ряд классификационных признаков оказывается присущим САУ различных типов. С другой стороны, классификация способствует выработке методов изучения систем, объединенных общими признаками.

Мы рассмотрели лишь некоторые признаки, по которым можно классифицировать системы АУ.

5.1.4 Основные принципы регулирования, управления.

Качество АСР в значительной степени определяется тем, какие принципы реализованы в системе. Принцип регулирования определяет способ формирования управляющего воздействия в АСР.

Современные системы АР конструируются исходя из следующих трех принципов.

1 – регулирование по отклонению регулируемой величины от заданного значения (принцип Ползунова – Уатта или принцип регулирования по отклонению).

2 – регулирование по возмущению (по нагрузке).

3 – комбинированное регулирование.

1. При регулировании по отклонению управляющее воздействие возникает вследствие отклонения регулируемой величины от заданного значения, передающегося на вход системы по цепи обратной связи.

                                                  ЭС                                          f(t)

                                        x (t)               e(t)                  u(t)                  y(t)

                                                                          УУ                  ОУ

                                                                                     ОС

Рисунок 16- Схема АСР с отрицательной обратной связью.

В этой системе реализуется принцип управления по отклонению. ЭС – элемент сравнения. В этой САУ реализуется измерение и контроль элементом сравнения отклонения управляемой переменной u(t) от задающего воздействия x(t). Это отклонение e(t) подается на вход УУ, и оно вырабатывает управляющее воздействие u(t) в зависимости от величины e(t) и устраняет ошибку управления. e(t) = y(t) – x(t)             5-1

Достоинством этих систем является, то, что в них процесс регулирования возникает независимо от  причины, вызывающей изменение регулируемой величины. Действительно, возмущение любой природы, приложенное в любой АС, в конечном счёте, проявится в отклонении выходной величины.

Недостатком регулирования по отклонению – это инерционность процесса регулирования, обусловленная тем, что обычно проходит определенное время от момента приложения возмущения к системе до того момента, когда накопиться отклонение регулируемой величины, достаточное для воздействия на регулятор.

Рисунок 17- Принцип управления по возмущению

Принцип управления по возмущению (по нагрузке), состоит в том, что осуществляется измерение возмущения и при отклонении возмущения от некоторого обусловленного значения в системе возникает управляющее воздействие, реализуемое так же, как в системах регулирования по отклонению.

Достоинством этой системы является быстрая реакция системы на изменения нагрузки.

Недостатки:

1. Действительное значение выходной переменной y(t) – не контролируется.

2. Процесс регулирования начинается лишь при изменении того возмущения, на измерение которого настроена эта система. Другие возмущения вызывающие отклонения регулируемой величины не будут.

                                                  ЭС                            ЧЭ        f(t)

                                        x (t)               e(t)                  u(t)                  y(t)

                                                                          УУ                     ОУ

                                                                                     ОС

                          

                    Рисунок 18- Схема АС с комбинированным регулированием

Эта структурная схема имеет разомкнутой контур форсирования компенсации возмущающего воздействия и замкнутый контур системы с обратной связью для устранения возникающих ошибок управления (регулирования).

В АС с комбинированным регулированием используются оба принципа регулирования и по отклонению и по возмущению, такие системы объединяют в себе достоинства, обуславливаемые обоими принципами регулирования.

5.1.5 Относительная погрешность управления при регулировании по отклонению.

Относительную погрешность управления рассмотрим на примере. САУ скоростью вращения двигателя постоянного тока, используемого в качестве привода шпинделя технологических автоматов с бесступенчатым регулированием скорости вращения.

                                                               ЭС                     У                             Д

                                  ЗЭ    п(зн)                          ∆п        К          И                КД    п_факт

ЧЭ

                                                                                п_тг             К_тг

                                        Рисунок 19- Принципиальная схема САУ

ЗЭ – задающий элемент, превращающий заданное значение (п_зн. – скорости вращения оборотов двигателя) в соответствующий сигнал напряжения (И), того же типа, что и у чувствительного элемента. ЧЭ – чувствительный элемент, ТГ – тахогенератор, преобразующий регулируемую величину (п_об.) в соответствующий сигнал (И).

К_т.г. -  коэффициент передачи тахогенератора (это зависимость между входной и выходной величинами в состоянии равновесия).

п_тг – скорость вращения тахогенератора.

п_тг= п_оракт* К_тг                                                                                                                                                      

Э.С – элемент сравнения в нем происходит вычитание из сигнала задающего элемента сигнал чувствительного элемента. Для производства сигнала вычитания обратная связь должна быть отрицательная.

∆п. = п_зн. - п_тг

У – усилитель, с помощью которого сигнал отклонения ∆п усиливается до величины достаточной для управления исполнительным элементом.

И = ∆п_* К (К – коэффициент усиления).

Д – двигатель постоянного тока, превращающий управляющий сигнал в скорость вращения вала.

п_факт. = И _* К_дв.

п_зн. = ∆п + п_тг. =∆п + п_{факт. *} К_тг = ∆п + И _* К_{дв. *} К_тг. = ∆п + ∆п _* К_* К_{дв *} К_тг

п_зн. = ∆п(1 + К_* К_дв.* К_тг)

              5.2

Аналитическая зависимость 5.2 показывает, что с увеличением коэффициента усиления усилителя

относительная погрешность управления уменьшается, и поэтому в САУ применяются усилители с большим коэффициентом усиления.

5.1.6 Обратная связь в системах управления.

Для улучшения динамических свойств систем регулирования применяют обратную связь.

           

                             

           Рисунок 20 -  Принципиальная схема САУ с ОС.

В схеме при втором включении жесткой обратной связи последнее постоянно подает на вход, охваченного ею звена, сигнал, по величине пропорциональный сигналу на выходе.

∆X = Х_вх. ± Х₂              5-3

где: + - положительная обратная связь

       –  - отрицательная обратная связь

Разделим выражение 5-3 на Х_вых.

   

  где:     

W – Зависимость между входной и выходной величинами в процессе управления.

          10-4:                                     5-5    положительная обр. связь

                                                                          5-6    отрицательная обр. связь

Предположим, что К₁- звено с коэффициентом передачи равным 10.

для форм. 5-5

При охвате звена управления положительной обратной связью передаточная функция его возрастает, и звено управления превращается в неустойчивое.

 Выходная величина будет быстро расти по экспоненте. Возрастает ошибка управления, возникает нелинейный процесс, который приведет к выходу системы управления из строя.

                        для форм. 5-6

           

При охвате звена управления отрицательной обратной связью передаточная функция его уменьшается. Это позволяет стабилизировать систему, делает ее более устойчивой. Недостаток: уменьшение коэффициента усиления, снижает статическую точность САУ. Достоинство: отрицательная обратная связь применяется для измерения выходной величины.

      5.2 Показатели качества автоматических систем.

Основными показателями  качества АС является:

1. устойчивость

2. быстродействие

3. коэффициент передачи

4. установившаяся ошибка управления.

 Рассмотрим некоторые. Среди типовых воздействий, применительно к которым формируется показатели качества переходных процессов АСР, чаще всего используется воздействие в форме единственного станка на входе системы. Такое воздействие отражает ряд характерных режимов эксплуатации АСР (пуск системы, резкое возрастание нагрузки и т.п.).

1- колебательный процесс неустойчивый

2- колебательный процесс устойчивый

3- монотонный переходный процесс

4- колебательный процесс без пере регулирования.

Обратимся к АСР, на вход которой подано воздействие в виде единичного скачка . В зависимости от свойств системы выходное значение  будет изменятся по некоторому закону.

Кривая 1 характеризует неустойчивый, расходящийся переходный процесс. АСР имеющая такой переходный процесс, не отвечает основному требованию устойчивости.

Под устойчивостью АСР принимают способность системы, выведенной из равновесного состояния, с течением времени вновь прийти в равновесное состояние, т.е. в состояние, при котором выходная величина отличается от заданной не более как на допустимую величину ошибки.

Система, не отвечающая требованием устойчивости, не пригодна к эксплуатации и должна быть стабилизирована.

Показатели качества динамических режимов в устойчивых АСР рассмотрим на примере колебательного переходного процесса. К этим показателям относятся: время переходного процесса, максимальное перерегулирование, колебательность.

Время переходного процесса, представляет собой отсчитываемое от начала приложения типового воздействия время, в течение которого установится такое значение выходной величины   , которое будет отличатся от заданного не более как на величину допустимой ошибки.

Максимальное пере регулирование- определяет максимальное отклонение регулируемой величины от ее установившегося значения в течении времени переходного процесса. Значение максимального регулирования определяется в % от установившегося значения регулируемой (выходной) величины.

.

Колебательность  определяется  числом полных колебаний выходной величины около установившегося значения в течение времени переходного процесса.

Для характеристики переходных процессов, обусловленных непрерывными быстро меняющимися воздействиями, вводится также понятие динамической точности системы, определяющей динамическую ошибку регулирования. Количественной оценкой точности служит среднеквадратичная ошибка, представляющая собой положительный квадратный корень выражения  

Где: М- символ математического ожидания

              -фактическое значение выходной величины

          x(t) – желаемое значение выходной величины.

Быстродействие определяется по времени переходного процесса, или по величине регулирования Тр.

Для анализа качества САУ часто применяют частотный метод, который базируется на различных частотных характеристиках представляющих собой реакцию системы на гармонически меняющийся сигнал.                                                               

Типовыми электронными блоками.

Электронная модель имеет ту же физическую природу, что и реальная САУ, она описывается теми же дифференциальными уравнениями, но отличается от реальной, масштабом и мощностью

5.3 Элементы и устройства САУ.

5.3.1 Первичные измерительные преобразователи (датчики)

Датчиком (чувствительным или измерительным инструментом) называют устройство, служащее для восприятия определённой информации, поступающей на его вход в виде контролируемой им физической величины и преобразующее эту величину в другую, появляющуюся на выходе в виде сигнала (импульса, команды), удобного для дальнейшей обработки и дистанционной передачи.

В общем виде датчик можно представить в виде чувствительного элемента и преобразователя.

                                Датчик 

                                 

                                       Рисунок 21- Принципиальная схема датчика

ЧЭ – предназначен для преобразования контролируемой величины Х в такой вид сигнала Х₁, который удобен для измерения.

Входная величина Х это чаще всего неэлектрическая контролируемая величина (линейное перемещение части станка, температура, сила в гидро- или пневмосистеме, размер детали, скорость и т.п.).

Выходной сигнал У – преобразованная величина чаще всего электрического, гидравлического, пневматического, механического и др. типов.

 П.  Измерение давления электроконтактным манометром.

Х – давление

Х₁ – перемещение мембраны или стрелки

У – изменение электрического сопротивления

Рассмотрим общие характеристики датчиков, необходимые для их подбора при автоматизации процессов.

- статическая характеристика

- инерционность

- чувствительность

- порог чувствительности

- погрешность

Статистическая характеристика- зависимость выходной величины  х т.е.   

Всегда желательно, чтобы зависимость  была линейная. Если зависимость нелинейная, то выбирают участок кривой и ограничивают действие этого датчика величинами входных сигналов от  до  

Электрокантактный датчик мод 233 имеет предел измерения от 0 до 0,4 мм

                                                мод 228 от 0 до 1 мм

инерционность- характеризуется отставанием изменения выходной величины У от изменений входной величины Х.

Чувствительность- динамическая чувствительность или динамический коэффициент преобразования показывает, во сколько раз приращение выходной величины больше приращение входной величины т.е.

         .

Чем датчик чувствительнее, тем легче производить измерение малых входных величин.

Порог чувствительности- наименьшее значение входного сигнала, которое вызывает приращение выходного сигнала.

                                       

                                                порог чувствительности                         

                                      

                                   - зона нечувствительности.

Погрешность- изменение входного сигнала, возникающее в результате изменения внутренних свойств датчика или изменение внешних условий его работы. Следует отметить, что в результате изменения погрешности изменяется характеристика датчика.

Различают следующие виды погрешности:

1. абсолютная

2. относительная

3. приведенная.

Абсолютной погрешностью называют разность н/у фактическим значением выходного сигнала и его расчетным значением

 см. рисунок.

Относительной погрешностью называют отношение абсолютной погрешности к расчетному значению выходного сигнала.

        или    

Приведенной погрешностью называют отношение абсолютной погрешности к минимальному значению выходного сигнала, определяющему диапазон его изменения.

        или   .

Датчики, используемые в технологическом оборудовании, делят:

1. по характеру выходного сигнала - на электрические, фотоэлектрические,  пневматические, гидравлические.

2. по назначению - путевые, размерные, силовые, скоростные и др.

5.3.2  Путевые датчики.

По принципу действия путевые датчики бывают механические, электрические, гидравлические и пневматические.

Механические - к ним относится кулачки и упоры. Кулачки, имеющие определенный профиль; расположены на валу и посредством механической передачи связаны с движущееся частью станка. Благодаря силовому замыканию м/у кулачками и движущейся частью (суппортами) траектория движения этой части соответствует профилю вращающемуся кулачка. (станок АWB-16).

Упоры со стальными закаленными рабочими поворотами закрепляют на неподвижных частях станка (станине). При соприкосновении с упором подвижная часть станка останавливается. Точность остановки составляет 0,1-0,002 мм, в зависимости от массы подвижной части, её скорости, жесткости системы и быстроты срабатывания механизма отключения движения.

Электроконтактные путевые датчики используют в виде конечных выключателей, ограничивающих и прекращающих движение частей станка. Для них входная величина – перемещение движущейся части, действующей на шток выключателя. Штоки имеют различную конструкцию, которая обеспечивает прямолинейное и маятниковое (поворотное) движения. В том случае шток осуществляет размыкание одних и замыкание других контактов. Поэтому скорость переключения неподвижных контактов зависит от скорости движения части станка, штока и подвижных контактов. Для нормальной работы такого переключателя скорость движения части станка должна быть более 6,6мм/с. При уменьшении скорости подвижные контакты перемещаются медленно, что приводит к длительному горению дуги, возникающей м/у размыкающимися контактами, и их быстрому разрушению из-за оплавления и усиленного окисления. Сама дуга затягивает процесс размыкания электроцепи, что приводит к запаздыванию срабатывания датчика.

                          а)                                                       б)

Рисунок 22- Схема установки путевых переключателей.

а) параллельно  движению; б) перпендикулярный движению.

Для надёжной работы шток датчика 2 должен располагаться по линии движения упора 1 или под углом к ней.

Гидравлические и пневматические датчики.

В гидравлической системе рабочей жидкостью чаще всего служит масло, поэтому выходной сигнал у гидравлических датчиков – это величина расхода или давления масла. Датчик получая на входе информацию в виде перемещения упора, превращает её в выходной сигнал в виде включения или изменения направления потока масла.

П: направляющие гидравлические распределители, открывающие или перекрывающие канал, подводящий масло.

Пневматические путевые датчики используют в виде направляющих пневмораспределителей, служащих для изменения направления воздуха, подаваемого по пневмолинии к исполнительному звену.

П: распределительный кран.

5.3.3 Размерные датчики.

Размерные датчики предназначены для контроля линейных размеров деталей и сборочных единиц.

По характеру работы датчики подразделяются на две группы:

- контактные

- бесконтактные

В датчиках контактного типа измерительные органы в виде наконечника или щупа прижимаются к поверхности измеряемой детали, т.е. контактируют с деталью. Наиболее широкое распространение получили электрокантактные, индуктивные и пневмоэлектрические размерные датчики.

Электрокантактным называется датчик, в котором механическое перемещение преобразуется в замкнутую или разомкнутое состояние контактов, управляющих электрическими цепями.

Электроконтактными датчиками в основном контролируют предельные размеры изделия. В зависимости от назначения применяют одно, двух и многопредельные электромагнитные датчики. Наиболее часто применяются двух предельные датчики. Они имеют две пары контактов и могут разделить измерение детали на три группы:

1. годные

2. брак «+»

3. брак «-»

Применяют рычажные и безрычажные электроконтактные датчики. Рычажный датчик имеет передаточный механизм, обычно в виде неравноплечего рычага, который увеличивает перемещение контактов по сравнению с перемещением измерительного штока.

В безрычажных датчиках перемещение контактов равно перемещению измерительного штока.

Электрокантактные датчики применяют для:

1. контроля размеров при обработке деталей

2. сортировки деталей на размерные группы

3. контроля погрешностей формы и относительного положения поверхностей.

Достоинства электроконтактных датчиков:

1. простота конструкции

Обратите внимание на лекцию "44 Земли сельскохозяйственного назначения для ведения крестьянского хозяйства и личного подсобного хозяйства".

2. датчики можно включать непосредственно (без реле в управляющую цепь)

3. сравнительно высокая точность контроля до 1-2 мкм

4. достаточно высокая производительность от 1 до 10000 дет/час

Недостатки:

1. обгорание контактов, что влечет за собой их периодическую чистку и регулировку

2. не позволяет определить действительный размер детали