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 направлениявоз­действия 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 называемаяуправляемым параметром X_ВЫХ процес­са, его состояние можно менять с помощью параметра на входе объ­екта, который называетсяуправляющим 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 также 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.