Введение в теорию автоматического управления. основные понятия теории управления техническим системами / хабр

Методы автоматического регулирования

Системы автоматического регулирования могут создаваться на основе двух основных методов регулирования: регулирования с обратной связью, которое работает путем исправления отклонений переменной процесса после того, как они произошли; и с воздействием по возмущению, которое предотвращает возникновение отклонений переменной процесса.

Регулирование с обратной связью

Регулирование с обратной связью — это такой способ автоматического регулирования, когда измеренное значение переменной процесса сравнивается с ее уставкой срабатывания и предпринимаются действия для исправления любого отклонения переменной от заданного значения.

Система ручного регулирования с обратной связью

Основным недостатком системы регулирования с обратной связью является то, что она не начинает регулировки процесса до тех пор, пока не произойдет отклонение регулируемой переменной процесса от значения ее уставки.

Температура должна измениться, прежде чем регулирующая система начнет открывать или закрывать управляющий клапан на линии пара. В большинстве систем регулирования такой тип регулирующего действия приемлем и заложен в конструкцию системы.

В некоторых промышленных процессах, таких как изготовление лекарственных препаратов, нельзя допустить отклонение переменной процесса от значения уставки. Любое отклонение может привести к потере продукта. В этом случае необходима система регулирования, которая бы предвосхищала изменения процесса. Такой упреждающий тип регулирования обеспечивается системой регулирования с воздействием по возмущению.

Регулирование с воздействием по возмущению

Регулирование по возмущению — это регулирование с опережением, потому что прогнозируется ожидаемое изменение в регулируемой переменной и принимаются меры прежде, чем это изменение происходит.

Это фундаментальное различие между регулированием с воздействием по возмущению и регулированием с обратной связью. Контур регулирования с воздействием по возмущению пытается нейтрализовать возмущение прежде, чем оно изменит регулируемую переменную, в то время, как контур регулирования с обратной связью пытается отрабатывать возмущение после того, как оно воздействует на регулируемую переменную.

Система регулирования с воздействием по возмущению

Система регулирования с воздействием по возмущению имеет очевидное преимущество перед системой регулирования с обратной связью. При регулировании по возмущению в идеальном случае величина регулируемой переменной не изменяется, она остается на значении ее уставки. Но ручное регулирование по возмущению требует более сложного понимания того влияния, которое возмущение окажет на регулируемую переменную, а также использования более сложных и точных приборов.

На заводе редко можно встретить чистую систему регулирования по возмущению. Когда используется система регулирования по возмущению, она обычно сочетается с системой регулирования с обратной связью. И даже в этом случае регулирование по возмущению предназначается только для более ответственных операций, которые требуют очень точного регулирования.

1.2. Структура систем управления: простые и многомерные системы

В теории управления техническими системами часто бывает удобно систему разделить на набор звеньев, соединенных в сетевые структуры. В простейшем случае система содержит одно звено, на вход которого подается входной воздействие (вход), на входе получается отклик системы (выход).

В теории Управления Техническими Системам используют 2 основных способа представления звеньев систем управления:

— в переменных “вход-выход”;

— в переменных состояния (более подробно см. разделы 6…7).

Представление в переменных “вход-выход” обычно используется для описания относительно простых систем, имеющих один “вход” (одно управляющее воздействие) и один “выход” (одна регулируемая величина, см. рисунок 1.2.1).

Рис. 1.2.1 – Схематическое представление простой системы управления

Обычно такое описание используется для технически несложных САУ (систем автоматического управления).

В последнее время широкое распространение имеет представление в переменных состояния, особенно для технически сложных систем, в том числе и для многомерных САУ. На рис. 1.2.2 приведено схематичное представление многомерной системы автоматического управления, где u₁(t)…u_m(t) — управляющие воздействия (вектор управления), y₁(t)…y_p(t) — регулируемые параметры САУ (вектор выхода).

Рис. 1.2.2 — Схематическое представление многомерной системы управленияя

Рассмотрим более детально структуру САУ, представленную в переменных “вход-выход” и имеющую один вход (входное или задающее, или управляющее воздействие) и один выход (выходное воздействие или управляемая (или регулируемая) переменная).

Предположим, что структурная схема такой САУ состоит из некоторого числа элементов (звеньев). Группируя звенья по функциональному принципу (что звенья делают), структурную схему САУ можно привести к следующему типовому виду:

Рис. 1.2.3 — Структурная схема системы автоматического управления

Символом ε(t) или переменной ε(t) обозначается рассогласование (ошибка) на выходе сравнивающего устройства, которое может “работать” в режиме как простых сравнительных арифметических операций (чаще всего вычитание, реже сложение), так и более сложных сравнительных операций (процедур).

Так как y₁(t) = y(t)*k₁, где k₁ — коэффициент усиления, то ==> ε(t) = x(t) — y₁(t) = x(t) — k₁*y(t)

Задача системы управления состоит в том (если она устойчива), чтобы “работать” на уничтожение рассогласования (ошибки) ε(t), т.е. ==> ε(t) → 0.

Следует отметить, что на систему управления действуют как внешние воздействия (управляющее, возмущающее, помехи), так и внутренние помехи. Помеха отличается от воздействия стохастичностью (случайностью) своего существования, тогда как воздействие почти всегда детерминировано.

Для обозначения управляющего (задающего воздействие) будем использовать либо x(t), либо u(t).

Устройство — автоматическое регулирование

Устройства автоматического регулирования, дистанционного и логического управления запорными и регулирующими органами и механизмами, технологических защит, технологической сигнализации, блокировки, средства измерений теплотехнических, электрических, физических, дозиметрических, радиометрических, химических и механических параметров, информационные и управляющие вычислительные системы ( ИУВС) постоянно должны быть в эксплуатации ( в проектном объеме) при работе оборудования.

Схематическое изображение системы автоматического регулирования.

Устройства автоматического регулирования управляют непрерывным технологическим процессом, поддерживая на заданном значении технологические параметры.

Устройство автоматического регулирования ( регулятор) температуры состоит из датчика действительной температуры печи ( ДТ), задатчика требуемой температуры ( ЗТ), измерительной части ( ИЧ), регулирующего ( РЭ) и исполнительного ( ИЭ) элементов.

Устройства автоматического регулирования ( автоматические регуляторы) поддерживают определенный режим работы оборудования в соответствии с заданной программой или уставкой.

Устройства автоматического регулирования предназначены для изменения управляемого процесса по заранее определенному закону. Производственный процесс, происходящий в регулируемом объекте, характеризуется одной или несколькими величинами. Некоторые из них в ходе процесса должны поддерживаться постоянными, другие изменяться го заданному закону. Эти задачи и выполняют устройства автоматического регулирования.

Устройства автоматического регулирования и управления осуществляют регулирование и управление установками или процессами в заданном режиме либо автоматически изменяют режим работы по определенному закону. Большинство технологических процессов из-за сложности оборудования, высоких значений параметров ( температуры, давления), токсичности, взрыво — или пожароопасности, величины агрегатов и по другим причинам не могут управляться вручную. Здесь на помощь приходят простые или сложные устройства автоматизации.

Устройства автоматического регулирования и безопасности могут применяться как совместно, так и раздельно.

Устройства автоматического регулирования должны обеспечивать поддержание заданного температурного режима в системе охлаждения и смазки, независимо от нагрузки и колебаний внешних температурных условий. Оптимальный режим по температуре, выходящей из двигателя воды лежит в пределах: 75 — 90 С — для замкнутых систем; 50 — 55 С — для разомкнутых систем при работе на жесткой пресной или морской воде.

Устройства автоматического регулирования и безопасности могут применяться как совместно, так и раздельно.

Устройства автоматического регулирования обеспечивают поддержание требуемого режима работы без непосредственного участия человека. Агрегат, режим работы которого регулируется, называют регулируемым объектом, а параметр, изменяющийся по заданному закону, — регулируемым параметром.

Устройства автоматического регулирования обеспечивают стабильней гидравлический и тепловой режимы систем централизованного теплоснаб.

Устройства автоматического регулирования во многих случаях выбирают одновременно с основным оборудованием ( компрессорами, охлаждающими батареями и др.) и сравнивают варианты в целом.

Устройства автоматического регулирования в данном курсе будут рассматриваться только как некоторые звенья системы, преобразующие параметры режима в величины, воздействующие на другие элементы системы, и этим воздействием меняющие ее режим.

Выбор — система — регулирование

Выбор системы регулирования по характеру действия ( например, позиционной, пропорциональной, астатической и др.) следует производить с учетом динамических свойств объектов и регулирующих приборов.

Выбор системы регулирования по характеру действия ( например, позиционной, пропорциональной, статической и др.) следует производить с учетом динамических свойств объектов и регулирующих приборов.

Выбор систем регулирования обусловлен технологической схемой отделения. Если предусмотрены центрифуги периодического действия, для которых нет жестких ограничений по расходу и гранулометрическому составу суспензии, поступающей на фугование, то система регулирования процесса разделения суспензии в гравитационных отстойниках несколько отличается от принятой выше. Это вызвано следующими причинами: суспензия, поступающая на разделение, характеризуется низким содержанием твердой фазы, при этом отпадает необходимость в построении сложной системы каскадно-связанного регулирования. Так как основной функцией отделения является получение маточника, свободного от содержания твердой фазы, и не регламентируется содержание твердой фазы в сгущенной суспензии, нет необходимости корректировать выгрузку сгущенной суспензии из отстойника по плотности осветленного маточника на сливе. Регулирование процесса разделения в гравитационных отстойниках осуществляется одновременно с регулированием выгрузки сгущенной суспензии по расходу суспензии, поступающей на разделение. Уровень в сборниках фугата стабилизируется регулятором с воздействием на расход фугата, поступающего в гравитационные отстойники.

Выбор системы регулирования следует производить с учетом конкретных условий эксплуатации установки — требуемой точности поддержания заданного параметра, суточного колебания нагрузки, тепловой емкости системы, количества и типа холодильных агрегатов.

Принципиальная схема группового управления насосами-дозаторами растворов коагулянта и щелочи на химводоочистках с осветлителями и прямоточных.

Выбор системы регулирования должен производиться в каждом случае с учетом конкретных условий. Возможно применение на одной и той же водоочистке для различных реагентов разных систем регулирования. Наиболее надежна и удобна система индивидуального регулирования, поэтому желательно отдавать ей предпочтение во всех случаях, когда это допустимо по экономическим соображениям. Системы группового регулирования еще не были применены в производственных условиях и особенности их не выявлены в полной мере. В настоящее время могут быть высказаны общие соображения об областях использования их.

Выбор системы регулирования скорости привода следует производить, руководствуясь условиями работы лифта и его назначением.

Для выбора системы регулирования необходимо знать зависимость точности нагрева от точности регулирования, от колебания производительности и степени черноты.

При выборе системы регулирования следует учитывать тепловую емкость объекта, допустимые отклонения температуры от заданной, а также тип компрессора.

Поэтому при выборе системы регулирования необходимо знать предполагаемый режим работы компрессора.

Принципиальная схема интегрального измерения среднего и среднеквадратичного отклонений параметров.

Второй вопрос — выбор системы регулирования — сводится в основном к выбору числа и мощности регулирующих агрегатов или станций, установлению конкретного их назначения в различных условиях и методов распределения нагрузки между регулирующими агрегатами с целью создания необходимого для регулирования резерва мощностей.

Структурная схема регулирования по А. Д. Свенчанскому.

Переменные коэффициенты передачи

Применение современных методов автоматического регулирования нужно начинать с повышения производительности одноконтурной системы, решая возникающие проблемы без изменения основной структуры системы.

Рис. 2. Простейшая система с обратной связью

Решить проблемы нелинейности измерений и преобразований можно добавив компенсирующие нелинейности, которые сделают общий коэффициент передачи постоянными. С помощью этого хорошо известного, но часто чересчур трудоемкого способа можно повысить устойчивость многих систем.

Рис. 3. Простейшая система с упреждающим управлением

Для решения проблем, связанных с изменяющимися коэффициентами передачи, существует несколько других методов. Простейший из них – подстройка контроллера для получения максимально возможного коэффициента передачи процесса. Таким образом, достигается устойчивость обратной связи ценой увеличения времени отклика при небольших коэффициентах передачи процесса.

Корректировка коэффициентов передачи по определенному закону: практически каждый алгоритм динамической системы управления позволяет задавать параметры контроллера как функции каких-либо переменных. Для реактора относительный диапазон контроллера температуры можно изменять обратно пропорционально скорости потока.
Нелинейная компенсация коэффициентов передачи: многие динамические системы управления обладают стандартной нелинейной функцией, определяющей погрешность цикла. Эту возможность часто используют при контроле уровня pH, поскольку его изменение очень нелинейно при варьировании потоков реагентов. Иногда она используется при контроле уровня жидкости, чтобы компенсировать геометрию сосуда.
Самонастраивающиеся контроллеры: функцией самонастройки обладает большинство современных систем. Управляющий алгоритм оценивает текущую производительность контроллера и изменяет его параметры, чтобы достичь желаемой переходной характеристики. Это достаточно сложная задача. Преобразовательному модулю приходится учитывать то, что текущее состояние – это результат вносимых им изменений. В результате, алгоритм может ошибаться при наличии в контуре периодических колебаний, появившихся в результате взаимодействия других переменных. Например, любые продолжительные колебания скорости потока приводят к колебаниям температуры с той же частотой. Самонастраивающийся контроллер будет безуспешно пытаться устранить колебания температуры, перенастраивая свои параметры, что приведет к ухудшению терморегуляции. Поэтому самонастраивающиеся контроллеры должны использоваться под непосредственным контролем и не должны оставаться без присмотра длительное время.

Практически все системы управления подвержены изменениям, влияющим на их коэффициенты передачи и устойчивость. С этой точки зрения любую систему характеризует показатель устойчивости, который равен величине малейшего изменения любого из параметров, вызывающего длительные незатухающие колебания в системе.

Вообще, одной из основных задач современных систем управления является высокая устойчивость, которая достигается путем компенсирования и преодоления факторов, вызывающих изменения коэффициентов передачи.

Возможно, вам также будет интересно

Контроллеры с управлением по математической модели и приборы с обратной связью в большинстве случаев основаны на одном принципе – линейной суперпозиции управляющих воздействий.

Скептикам угодно с пеной у рта рассуждать об отсталости отечественного компьютеростроения, поскольку среди них нет ни одного специалиста, который бы принимал деятельное участие в создании и внедрении современного отечественного компьютера, построенного на основе технологии «Эльбрус». А тем временем в научно-производственном объединении «Позитрон» с блеском опровергают их «доводы», проявляя гото…

ОАО «Пигмент»: качество продукции повышает АСУ ТП

25 июля, 2011Введена в эксплуатацию АСУ ТП производства фенольно-формальдегидных смол с интеграцией системы управления производством формалина ОАО «ПИГМЕНТ» (г. Тамбов) на базе SCADA КРУГ-2000.

ОАО «ПИГМЕНТ» – современное многопрофильное химическое предприятие, выпускающее химическую продукцию для полиграфической, нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной, лакокрасочной, строительной, химической, легкой отраслей промышленности.

Наиболее значимая проблема, с которой столкнулось предприятие, – невозможность контроля технологического процесса, в частности, температурного режима, и, как следствие, – …

Системы автоматического регулирования и управления

При изучении данной темы особое внимание следует обратить на
— состав системы автоматического управления (объект управления и устройство управления) и такие понятия как задающее, возмущающее и управляющее воздействия;
— принципы управления по задающему воздействию, по отклонению и по возмущающему воздействию; (управление по отклонению возможно при наличии главной отрицательной обратной связи);
— линейные законы управления (пропорциональный, интегральный и дифференциальный)

Тест 1 Файл

При изучении данной темы особое внимание следует обратить на формы записи дифференциальных уравнений
– общую форму записи ,
– стандартную форму записи,
– форму записи в виде передаточных функций.

Тест 2 Файл

Для успешного освоения данной темы необходимо изучить
— частотные характеристики (амплитудно-фазовая частотная характеристика, амплитудно-частотная характеристика, фазо-частотная характеристика, логарифмические частотные характеристики)
— временные характеристики (типовые входные воздействия, переходная характеристика, импульсная переходная характеристика).

Тест 3 Файл

Для успешного освоения данной темы необходимо изучить временные и частотные характеристики типовых динамических звеньев, к которым относятся:

— безынерционное звено,
— интегрирующее звено,
— апериодическое звено первого порядка (инерционное звено),
— колебательное звено,
— апериодическое звено второго порядка,
— консервативное звено,
— дифференцирующее звено,
— форсирующее звено первого порядка,
— форсирующее звено второго порядка,
— звено запаздывания.

Тест 4 Файл

Для успешного освоения данной темы необходимо изучить

— основные сведения о математическом аппарате теории линейных дискретных стационарных систем (решетчатые функции, разностные уравнения, дискретное преобразование Лапласа и z – преобразование);

— структурно-динамическую схему и дискретные передаточные функции цифровой САУ;
— необходимое и достаточное условие устойчивости дискретной САУ;
— особенности анализа устойчивости линейных дискретных стационарных систем;
— особенности анализа качества линейных дискретных стационарных систем.

Основная литература — Кудинов Ю.И. Теория автоматического управления (с использованием MATLAB — SIMULINK) : учебное пособие / Ю. И

Кудинов, Ф. Ф. Пащенко. — 2-е изд., испр. и доп. — Электрон. текстовые дан. — СПб. : Лань, 2018. — 312 с. Режим доступаe.lanbook.com —       Коновалов Б. И., Лебедев Ю. М. Теория автоматического управления : учебное пособие. 4-е изд., стер. – СПб.: Издательство «Лань», 2016. 224 с. Режим доступа e.lanbook.com. —       Герман-Галкин С. Г. Виртуальные лаборатории полупроводниковых систем в среде Matlab Simulink : учебник.— СПб.: Издательство Лань», 2013.– 448с. Режим доступа e.lanbook.com. Дополнительная литература —         Системы автоматического регулирования и управления : Ч. 1. Практикум/ Сост.: В.М. Бутаков, П.П. Павлов. − КГЭУ, 2017. – 27 с. – Режим доступа: http // lib.kgeu.ru —         Погодицкий О.В., Малёв Н.А. Теория автоматического управления: Учеб.пособие. – Казань: КГЭУ, 2010. – 268 с. —         Погодицкий О.В. Цифровые системы управления. Учебное пособие – Казань: КГЭУ, 2008.-188с. —         Погодицкнй О.В., Малев Н.А., Ахунов Д.Д., Цветков А.Н. Расчёт и моделирование электроприводов с регуляторами различной конфигурации: лабораторный практикум. Казань: КГЭУ, 2015. – 156 с.
Электронно-библиотечные системы
ЭБС «Лань»
Программное обеспечение дисциплины (модуля)
—       MatLab
—       Microsoft PowerPoint
Интернет-ресурсы
—         ДК, размещенные в LMS Moodle

Пропустить Навигация

Системы с обратной связью

САР имеющая одну регулируемую величину показана ниже:

Введение в данном случае обратной связи заставляет устройство реагировать на изменение возмущения f(t), что делает из устройства некий фильтр, который довольно точно передает управляющее воздействие и подавляет возмущающее. Сигнал, поступающий из выхода на вход, именуют сигналом обратной связи, а разницу между сигналом задания и обратной связью называют ошибкой.

Ошибка, возникающая в каждом элементе устройства, оказывает влияние на вход следующего элемента, тем самым наращивая сигнал ошибки.

Итак, можем сделать вывод что САР – это динамическая система, которая стремится сохранить в допустимых пределах отклонение между заданным и реальным значением регулируемой величины, используя при этом метод сравнения сигналов обратной связи получаемых с выхода устройства, с сигналами, поступающими на вход устройства.

Ключевое понятие: коэффициент передачи

Коэффициент передачи – это отношение изменения выходной величины к изменению входной. Стабильность системы автоматического регулирования в первую очередь определяется коэффициентами передачи. Каждый элемент системы – контроллер, исполнительный механизм, регулируемый процесс и датчик – имеет собственный коэффициент передачи. Если наклон графика зависимости выходной величины от входной не меняется, коэффициент передачи элемента постоянен, и такой элемент можно называть линейным. Если же отклик элемента на изменение входного значения зависит от рабочей точки, то существует нелинейность и коэффициент передачи элемента непостоянен.

Произведение коэффициентов передачи всех элементов называется коэффициентом обратной связи замкнутой системы. Если его значение превышает единицу, то контур является неустойчивым, и небольшое возмущение вызывает нарастающие колебания. Если же коэффициент обратной связи меньше единицы, колебания затухают и система переходит в устойчивое состояние. Настройка контроллера – это выбор коэффициента передачи контроллера таким образом, чтобы коэффициент обратной связи был не слишком большим и не приводил бы к колебаниям, и не слишком малым, что сильно замедлило бы реакцию системы.

Если хотя бы один из коэффициентов передачи непостоянен, коэффициент обратной связи тоже непостоянен, и устойчивость системы может меняться. Чтобы добиться стабильной устойчивости, необходимо варьировать коэффициент передачи контроллера, компенсируя таким образом изменения других коэффициентов и не допуская, чтобы коэффициент обратной связи превысил единицу. Существенный вопрос: постоянны ли остальные коэффициенты передачи, или они меняются? Если меняются, необходимо определить насколько, каким образом, и по какой причине.

Любой коэффициент передачи состоит из стационарного значения и динамического компонента. Стационарное значение отражает окончательное изменение выходной величины после ступенчатого изменения входной, а динамический компонент определяет сглаживание при циклическом изменении входной величины.

1.3. Основные законы управления

Если вернуться к последнему рисунку (структурная схема САУ на рис. 1.2.3), то необходимо “расшифровать” роль, которую играет усилительно-преобразующее устройство (какие функции оно выполняет).

Если усилительно-преобразующее устройство (УПУ) выполняет только усиление (или ослабление) сигнала рассогласования ε(t), а именно: , где – коэффициент пропорциональности (в частном случае = Const), то такой режим управления замкнутой САУ называется режимом пропорционального управления (П-управление).

Если УПУ выполняет формирование выходного сигнала ε1(t), пропорционального ошибке ε(t) и интегралу от ε(t), т.е. , то такой режим управления называется пропорционально-интегрирующим (ПИ-управление). ==> , где b – коэффициент пропорциональности (в частном случае b = Const).

Обычно ПИ-управление используется для повышения точности управления (регулирования).

Если УПУ формирует выходной сигнал ε₁(t), пропорциональный ошибке ε(t) и ее производной, то такой режим называется пропорционально-дифференцирующим (ПД-управление): ==>

Обычно использование ПД-управления повышает быстродействие САУ

Если УПУ формирует выходной сигнал ε₁(t), пропорциональный ошибке ε(t), ее производной, и интегралу от ошибки ==> , то такой режим называетсято такой режим управления называется пропорционально-интегрально-дифференцирующим режимом управления (ПИД-управление).

ПИД-управление позволяет зачастую обеспечить “хорошую” точность управления при “хорошем” быстродействии

Введение в теорию автоматического управления. основные понятия теории управления техническим системами