Построение функциональной схемы автоматического управления с усилителем мощности

Для   улучшения  качества  управления   (например,   уменьшения ошибки   ε(t),   степени   колебательности   и   т.д.)  в   систему   вводят  до-полнительный   элемент —   регулятор.   Тогда  схема   САУ,  представлен -ная   на  рисунок 3,   а,  будет  иметь   вид,   показанный   на  рисунок 3,   б.

При  создании  и   функционировании  САУ  параметры  элементов  

4 … 8  остаются  неизменными,   поэтому   часть  системы,  включающая 

в себя эти  элементы,  носит  название неизменяемой. На практике не-изменяемую   часть  часто  называют  объектом  управления,   а  к  управ -ляющему устройству  относят  лишь регулятор.  Именно его параметры 

изменяются   в  процессе  проектирования   САУ.

Рассмотрим еще  несколько  примеров конкретных  автоматических 

систем.

Рисунок  3  - Автоматическая  система,   реализующая  процесс   закаливания   металла   в  электропечи:

а  —  функциональная   схема;   б  —  измененная  функциональная   схема;   1  —  задающее устройство;  2  —  сравнивающее   устройство;  3  —  регулятор;   4  —  усилитель   мощности; 5 —  привод  (двигатель);   6  —  реостат;   7  —  электропечь;  8  —  измерительное   устройство (датчик); I — неизменяемая  часть САУ; II  — регулятор  (изменяемая  часть САУ)

В  энергетике  используется  много   САУ,  предназначенных  для   ре-гулирования  уровня жидкости,  например автоматические регуляторы 

уровня  в  парогенераторах,  конденсаторах,  компенсаторах  давления,  

барабанах-сепараторах    и   др.  Большинство  из  перечисленных  САУ 

построены  по  схеме,   показанной  на  рисунок 4,   а.

Уровень   жидкости  h(t)  зависит   от   разности  двух   величин:  ее   притока  Gп и  расхода  Gр.  Если  Gп >  Gр,  уровень   растет,  и  наоборот,  при  Gп< Gр уровень  уменьшается. Приток Gп можно изменять посредством

регулирующего  клапана   (РК),   который   управляется   электроприводом 

(П).   Сигнал,  соответствующий  действительному   уровню  h(t),   измеря-ется   уровнемером  (УМ)   и  сравнивается  с  заданным   уровнем   hз.

В  зависимости   от  значения  и  знака   сигнала   рассогласования   ε(t) 

регулятор   посредством   электропривода  увеличивает   (при  ε  >  0)   или  

уменьшает  (при  ε  <  0)   приток  жидкости  Gп,  поддерживая  равенство  между   Gп  и  Gр при   заданном  уровне  hз.

 

Рисунок 4 - Схемы  системы   автоматического   регулирования   уровня  жидкости:

а  —  принципиальная;  б  —  функциональная;  1  —  задающее  устройство;  2  —  сравнивающее  устройство;  3  —  регулятор;   4  —  усилитель мощности;  5  —  привод;   6  —  регулирующий   орган   (клапан);  7  —  объект  управления;   8  —  уровнеметр;   9,  10  —  линейные

расходомеры

Изменение  расхода  Gр  нарушает  баланс  в  схеме,   т.е.   Gр является 

возмущающим   сигналом. Для   повышения  точности  регулирования   наряду с сигналом ε(t) используется сигнал Gп, который обеспечивает местную ОС,  или  так  называемое  комбинированное   регулирование. Выходной  сигнал некоторых расходомеров (РМ)пропорционален квадрату расхода жидкости,  поэтому  цепи измерения  их расходов со-держат  блоки   извлечения  корня   (БИК).

Воспользовавшись  стандартными  обозначениями можно записать: 

сигнал  на  входе  системы   (заданное   воздействие)  у(t)  =  hз;  сигнал  на 

выходе  системы   (уровень  жидкости)   x(t)  =  h(t);   сигнал  возмущения  

(расхода   жидкости)   n(t)  =  Gр(t).

Функциональная  схема   САУ  уровнем   жидкости  может   быть  представлена  в  виде,  изображенном   на  рисунок 4,   б.

Ранее   рассмотрены  замкнутые  системы,  в   которых   имеет   место 

обратная  связь,   т.е.   сравнение   входного  сигнала   (эталона)   с  выходным (реальным значением регулируемой  величины). Кроме того, 

существуют  автоматические  системы   разомкнутого  типа.  В  разомкнутых   системах  для   выработки  управляющего   воздействия   u(t)  (сигнала  с   выхода  регулятора)   используется  только  информация  о   цели управления  у(t),   а  действительное  значение  выходной   управляемой 

переменной   х(t)  не  контролируется.

В   качестве   примера   рассмотрим   разомкнутую  САУ  числом  обо -ротов   электродвигателя  постоянного   тока, рисунок 5,   а.

При  ручном  разомкнутом  управлении   нужное  число   оборотов 

двигателя,   пропорциональное   напряжению  на  входе   усилителя,  задается  оператором   путем   перемещения  движка  потенциометра  1 . 

С выхода  потенциометра  сигнал  поступает   на  усилитель   2,  вызывая  

изменение  тока  в   якоре   электродвигателя  3   и   соответственно  его 

угловой  скорости,  которая  измеряется тахогенератором  4  со стрелочным  прибором,   но  не  используется  для   замыкания  системы.

Вследствие  старения,   износа,  неточности  исполнения   элементов  

и  колебаний   температуры  градуировка   системы   (в   которой   каждому 

положению движка потенциометра должно соответствовать заданное 

число   оборотов  двигателя   в   установившемся   режиме)   нарушается,  

поэтому   системы,  работающие   по  разомкнутому   циклу,  часто  не  могут  обеспечить  высокое   качество  работы  (высокую   точность).   Данную   систему   можно  автоматизировать,   при   этом  схема   будет  функционировать  по  замкнутому   циклу,  т.е.   по  принципу   ОС,   и,   следовательно,  качество  ее   работы  повысится.  Функциональная  схема   такой   замкнутой   системы   представлена  на  рисунке 6.

Рисунок 5 - Функциональная  схема   разомкнутой  САУ  числом  оборотов  электродвигателя:

1  —  потенциометр;   2  —  усилитель;   3  —  электродвигатель;  4  —  тахогенератор   со  стрелочным  прибором

 

 

Рисунок 6 - Функциональная  схема   замкнутой   САУ  числом  оборотов  электродвигателя:

1 — потенциометр;  2 — регулятор;  3 — усилитель;  4 — электродвигатель; 5 — тахогенератор

В системе с замкнутым  циклом в отличие от  разомкнутой  системы имеет место сравнение реального числа оборотов двигателя с требуемым.   Сигнал  рассогласования   (ошибки)   ε(t)  поступает   на  регулятор   2  и  усилитель 3,  т.е. управляет электродвигателем 4,  а  стахогенератора 5 идет сигнал, пропорциональный 

скорости, на регулирующий  потенциометр   1 .   Выбор  структуры   и   параметров  регулятора  2 должен  обеспечить  высокую  точность  работы  системы.  Замкнутая  система   не  требует   точной  градуировки:  ее   точность  сохраняется   и при   отклонении   параметров  от  эталонных   из-за  старения  элементов  или   по  другим  причинам.

При управлении с ОС значение управляющей переменной  постоянно  сопоставляется  с   ее   заданным   (эталонным)  значением.  Цель 

управления —   сделать  эти   величины   близкими   несмотря  на  различные   помехи.

Контур  управления —  это   система,   состоящая   из  объекта   управления   и  регулятора  (управляющей   системы,  с  помощью  которой   добиваются  нужного   качества   управления).

 

3  Цели и принципы автоматического управления

Задачей   управления  является  изменение  протекающих  в  объекте  

управления процессов  посредством  соответствующих команд для  достижения   поставленной  цели.

Таким   образом,  системой   автоматического   управления  называется  система,  представляющая  собой  совокупность объекта  управления  и управляющего  устройства, обеспечивающего процесс  управления,  т.е.   целенаправленное   воздействие,   приводящее   к  желаемому изменению  управляемых  переменных.

Фундаментальными  принципами   управления  являются:

•принцип  разомкнутого  управления;  

•принцип компенсации — управления по возмущению  (если  возмущающие  воздействия   в  системе   велики,   для   повышения  точности 

разомкнутой  системы   на  основе  измерения  возмущений   в  алгоритм 

управления   вводятся  коррективы,   компенсирующие  влияние   этих 

возмущений);

принцип  ОС.  

Для   систем,   работающих   по  принципу   обратной  связи,   характерны:

•наличие   ОС;  

•преобразование  слабых  управляющих  сигналов  на  входе,   идущих   от  измерительного  устройства,   в   достаточно  мощные   воздействия   на  объект  (ток   в  цепи  нагрева);

•наличие   ошибки   ε(t),   являющейся   движущим  сигналом  для   системы,  работающей   на  уменьшение   этой  ошибки;

•замкнутость   системы   через  ОС,   реализуемую  с  помощью  измерительного  устройства —  термопары.  Измерительный  (чувствительный)  элемент   в  этом  случае   служит  не  просто  для   регистрации   температуры,   а  для   формирования  сигнала   рассогласования   ε(t),   являющегося  входным  для   усилителя,  сигнал  с  которого  затем   подается  на вход  системы.

Использование  принципа   ОС  позволяет   дать   еще   одно  определение  САУ с акцентом на особом значении этого принципа:  САУ — это  система,   стремящаяся  сохранить   в  допустимых   пределах  рассогласование   (ошибку)  ε(t)  между   требуемыми   у(t)  и  действительными  х(t) значениями   управляемых  переменных   с  помощью  их  сравнения   на основе  принципа   ОС  и  использования  получаемых  при   этом  сигналов   для   управления.

 

4 Типовая функциональная схема системы автоматического управления

 

Приведенные  примеры  позволяют   представить   типовую   функциональную   схему   САУ, рисунок 7.   Рассмотрим  назначение  каждого из элементов   этой  схемы.

Задающее  устройство 1 преобразует воздействие  уз(t) в сигнал у(t),  а  сравнивающее   устройство  2  в  результате   сравнения   сигнала   у(t)  и 

регулируемой  величины   х(t)  (предполагается,   что   элементы  10  и  11 

не  искажают  сигнал  х(t))   вырабатывает  сигнал  ошибки   ε(t).   Сравни-вающие   устройства  2,  5  также   называют  датчиками   ошибки,  отклонения,  рассогласования.

Преобразующее  устройство  3  служит  для   преобразования  одной  

физической  величины   в  другую,   более   удобную  для   использования 

в  процессе  управления  (во   многих  системах  преобразующее  устройство  отсутствует).

Регуляторы  4,  8  служат  для   обеспечения   заданных  динамических  

свойств   замкнутой   системы.  С  их  помощью  обеспечивается  высокая  

точность  ее   работы  в  установившемся   режиме,   а  также   демпфируются  сильные   колебательные   процессы  (например,  летательных   аппаратов). Более того, введение в систему  регулятора  позволяет устранить 

незатухающие   или   возрастающие   колебания   управляемой   величины.  

Иногда  регуляторы  вырабатывают   управляющие  сигналы   (команды)  

в зависимости  от возмущающих  воздействий, что существенно  повышает  качество  работы  систем,   увеличивая  их  точность.

Исполнительное  устройство  7   предназначено  для   влияния  на 

управляющий   орган   9 ,   подвергающийся  воздействию   внешних  полей   n ( t ).   Исполнительные  устройства  могут  быть  пневматические,  

гидравлические  и  электрические.

Пневматические исполнительные  устройства имеют сравнительно  малые   габаритные  размеры   и массу,   но  требуют   большого  расхода сжатого газа. Гидравлические исполнительные  устройства способны  преодолевать  большие  нагрузки  и  практически   безынерционны.  Их  недостаток —  большая  масса.   Электрические  исполнительные  устройства  достаточно  универсальны   и  отличаются  удобством   подведения   к  ним   энергии.  Вместе  с  тем   их  использование   требует  наличия   достаточно  мощного  источника   тока.  В   некоторых  САУ  исполнительный   механизм  отсутствует  и   воздействие   на  объект  осуществляется  изменением   состояния   управляющей  величины   (тока,  напряжения)  без  помощи   механических  устройств.

Чувствительный  (измерительный)  элемент —  датчик  10 —  необходим   в  САУ  для   преобразования  управляемых  переменных   в  сигналы  управления  (например,  угла   в  напряжение).

Элемент,  который   подвергается  управлению,  является  объектом