Лекция 1: Тема 1.1. Общие сведения о системах автоматического управления.

ТЕОРИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

Сызрань 2012

Раздел 1. Введение в теорию автоматического управления.

Лекция 1: Тема 1.1. Общие сведения о системах автоматического управления.

Автоматика и ее роль в НТП.

Человечество стремилось всегда освободиться от рутинной монотонной тяжелой работы. В результате изобретали машины и системы, заменяющие человеческий труд.

Автоматические системы позволили повысить производительность труда и экономические показатели технологических процессов. Это стимулировало развитие теории и практики систем управления. Появилась наука о управлении кибернетика → техническая кибернетика → ТАУ.

Военно-промышленный комплекс активно использует новинки автоматики – в авиации (автопилот), ракетах, торпедах, кораблях и подводных лодках, системах наведения и т.д.

Автоматика окружает нас и в быту – холодильник, утюг (tº С), туалетный бачок и т.д. (напряжение сети, эл. авт. системы в радиоэлектронной аппаратуре).

Возникли вопросы построения качественных САУ. Потребовались и теория ТАУ и подготовка специалистов → 210100, 210200.

Появление микропроцессоров и контроллеров дало толчок к развитию цифровых САУ, которые интенсивно внедряются и в технологических и технических системах.

Культура производства и экономическая эффективность еще больше повысилась.

Качественные технические характеристики получить без автоматики невозможно. Например, самолет и ракета без системы стабилизации курса не полетит (сразу будет вращение и разрушение объекта).

Общий вывод: Автоматические системы определяют НТП и в целом уровень жизни людей. В развитых странах теории и практике автоматических систем уделяется много внимания. У нас тоже. Любой инженер должен знать ТАУ.

Принципы управления и регулирования

Рассмотрим принцип действия системы управления на пример регулирования температуры воды. (начать с человека-оператора)

Варианты: 1) человек-регулятор → в домашних условиях

2) человек-оператор → на производстве:

в этом случае сигнал с ПСН подается на индикатор температуры и оператор рукой регулирует расход горячей воды с помощью вентиля горячей воды (можно холодной)

3) автоматическая система, которая включает в себя дополнительные технические средства:

М – эл. дв. п.т., который при начинает вращаться;

УМ – усилитель мощности, который подводит эл. энергию к М;

У – предварительный усилитель с ;

ПСН – преобразователь сопротивления в напряжение;

ЗУ – задающее воздействие в виде потенциометра.

Работа: 1) Номинальный режим: и М стоит не вращаясь

2) Режим (стабилизации) регулировки: Т_г ↑, Т ↑, R_т ↑, U_ос ↑, U_e< 0, U_y < 0, U _д < 0, двигатель поворачивает вентиль в сторону запирания, т.е. α ↓, Q_г ↓, Т ↓, процесс продолжается до тех пор пока не выполнится условие , т.е. когда будет выполнено .

Если изменится давление: P_x ↑, Q_x ↑, Т ↓, R_т ↓, U_ос ↓, U_e> 0, U_y > 0, U _д > 0, α ↑, Q_г ↑, Т ↑ и т.д.

3) режим изменения (программа) температуры воды в системе U_з ↑, U_e> 0, U_y > 0, α ↑, Q_г ↑, Т ↑, U_ос ↑ и т.д. до тех пор пока не выполнится U_e = 0, при , что соответствует T_з = Т.

Вывод: 1) автоматические свойства связаны с выполнением (реализаций) соотношения . Знак минус " –" указывает на существование отрицательной обратной связи.

2) все схемы работают в функции ошибки → т.е. от нее " по отклонению" идет???.

Примечание: Если реализовать знак " +", т.е. , то это будет не САУ, а генератор, потому что стабилизация переходного режима не наступает.

В автоматике положительная обратная связь используется очень редко.

Системы с о.о.с. называются замкнутыми САУ. Имеется понятие разомкнутой САУ, это когда о.с. разорвана (отключена). В этом случае отклонения параметров P_x, Р_г, Т_x, Т_г от номинальных значений будут вызывать отклонения Т от Т_з.

Для компенсации этих возмущений используют специальные каналы (цепи) компенсации. Рассмотрим этот принцип управления на основе стабилизатора напряжения усилителя мощности: управление по возмущению.

		Uс ↑, U д ↑, но Uк ↑ (одновременно)   U д = Кум (Uу - Uк) + КпUс = КумUу - КумКсUс + КпUс   Если КумКс = Кп, т.е. Кс = Кп/Кум

На самом деле полной компенсации на практике достичь не удается из-за трудностей выполнения условия . Поэтому в реальных системах каналы компенсации используются как дополнительный способ компенсации измеряемых существенно изменяющихся возмущений в замкнутых САУ.

Вывод: Обратная связь необходимы всегда, т.к. в САУ имеется много неизмеряемых возмущений.

Основные понятия и определения в теории управления.

Обобщенная функциональная схема системы управления, ее блоки и воздействия.

Анализ двух вышерассмотренных примеров позволяет сделать некоторые обобщения:

1) в САУ имеется основной контур регулирования;

2) имеется объект управления (ОУ), его роль в данном случае играет смеситель;

3) имеется исполнительное устройство (механизм) (ИМ), роль которого выполняет двигатель;

4) имеется источник мощного сигнала для подвода энергии к ИМ → его роль выполняет УМ;

5) всегда должен быть регулятор (устройство управления) – роль которого выполняет У с реализованной на его входе схемой вычитания двух входных сигналов ;

6) для измерения регулируемой координаты (в нашем случае Т) требуется датчик, который ставится в цепь отриц. о.с. Тип датчика определяет регулируемую величину. о.о.с. – " глаза" системы;

7) имеется задающее устройство (ЗУ), которое выдает (задает) сигнал пропорциональный требуемой регулируемой координате системы;

8) возмущения, которые стремятся изменить регулируемую величину?????

Если рассмотреть еще ряд (множество) одноконтурных систем управления независимо от их физической природы, то можно заметить, что все они имеют типичную функциональную схему, которая имеет следующий вид:

Здесь y – выходная координата (Т), х – сигнал управления (регулирования), F_i – возмущения, U_ос – сигнал о.с.

Дополнительная терминология ТАУ:

Возмущения – воздействия, вызывающие отклонения регулируемой координаты. Если бы не было возмущений, САУ были бы не нужны. Достаточно разомкнутый систем (это не автоматика).

Сигнал U_е – ошибка, рассогласование. По этому сигналу можно оценить отклонение регулируемой координаты (параметра) от требуемого значения, т.к. .

Различают переходный (U_з или F = U_нг) и установившийся (при U_з или F = const) режимы САУ.

Регулятор – определяет закон управления, в рассматриваемом примере он простейший – пропорциональный (усилитель) . В реальных системах он может быть довольно сложным (дифференциальное уравнение 3÷ 4 порядка).

Регулятор и УУ – синонимы, однако термин регулятор применяют в простейших контурах регулирования, а УУ в более сложном случае.