Эквивалентные преобразования исходной структурной схемы системы автоматического управления

Введение.

Теория автоматического управления — одна из важнейших тех­нических наук общего применения. Она дает теоретическую базу для исследования и практического применения любых автомати­зированных систем во всех областях техники;

Управление — целенаправленное изменение (поддержание) со­стояния (параметров) технического объекта в соответствии с име­ющимся алгоритмом функционирования.

Объектами управления могут быть различные процессы: тех­нологические, энергетические, транспортные, информационные. Управление объектом достигается путем воздействий, оказывае­мых на него либо непосредственно человеком, либо автоматиче­ским управляющим устройством (в том числе ЭВМ) по заданной программе, составленной на основании информации о целях и задачах управления.

Автоматическое управление — поддержание нормального фун­кционирования управляемого объекта в соответствии с заданным алгоритмом без непосредственного участия человека. Осуществля­ется с помощью технических средств, обеспечивающих автомати­ческий сбор, хранение, передачу и обработку информации, а также формирование управляющих воздействий на объект управления.

При автоматизации одной области промышленности возника­ет потребность в перестройке технологии, аппаратуры и органи­зации в смежной области. Автоматизация приносит наибольший эффект в тех случаях, когда технологи, конструкторы, специали­сты по организации и планированию работают в тесном контакте со специалистами по автоматизации. Такая совместная работа пред­полагает их взаимопонимание, которое может быть достигнуто лишь в том случае, если специалисты различных профилей будут иметь общие представления об автоматизации производственных процессов.

Таким образом, автоматизация работы оборудования включает:

· механизацию тяжелых работ и трудоемких процессов при ос­нащении агрегатов механизмами, заменяющими ручную работу персонала;

· дистанционное управление, т.е. пуск, останов и управление работой механизмов на расстоянии с пульта, на котором сосре­доточены средства управления основными регулирующими орга­нами агрегатов. Дистанционное управление обычно осуществля­ется электрическим приводом, реже применяются пневматиче­ские или гидравлические приводы;

· автоматизацию непрерывно протекающих процессов при нор­мальной работе оборудования, т.е. замену действий персонала по управлению механизмами работой автоматических регуляторов;

· автоматическое управление по заданной программе (в том числе пуском агрегатов).

К функциям контроля за состоянием объекта относятся:

· технологическая защита, автоматически предотвращающая и ликвидирующая нештатные ситуации, возникающие при работе оборудования. Защита осуществляет останов агрегатов или сниже­ние их нагрузки, или производит различные локальные опера­ции, предохраняющие агрегат от поломки;

· блокировка, выполняющая в определенной последователь­ности ряд операций в случае возникновения начальной коман­ды от устройств технологической защиты или со щита управле­ния. В результате агрегат переводится из одного состояния в другое;

· автоматическое включение резерва — устройств, пускающих в работу резервные элементы, не нарушая нормального протека­ния технологического процесса, в случае останова по какой-либо причине работающих механизмов.

· технологическая сигнализация, автоматически подающая све­товой или звуковой сигнал при отклонении от нормы того или иного параметра.

Сигнализация автоматически подает сигнал при срабатывании защиты, блокировки, а также при включении резерва и служит для привлечения внимания дежурного персонала к месту возник­новения неисправности.

В процессе производства в силу различных причин значения параметров технологического процесса могут изменяться, вызы­вая отклонение процесса от нормального режима. Нарушенный режим должен восстановиться и поддерживаться около заданного значения путем воздействия на технологический процесс через органы управления. Поддержание параметров технологического процесса в диапазоне заданных значений выполняет система ав­томатического регулирования (САР).

Система, предназначенная для поддержания некоторой ве­личины в техническом объекте (производственном процессе) на заданном уровне и обладающая структурой называется системой автоматического регулирова­ния.

Кроме замкнутых систем в промышленности применяются ра­зомкнутые системы. В этих системах управляющее устройство мо­жет состоять из нескольких звеньев. Каждое звено имеет вход, на который подается воздействие извне, и выход, который передает воздействие вовне. Каждое звено преобразует воздействие, пода­ваемое на его вход, по физической природе или по численному значению. Один элемент, например, преобразует изменение тем­пературы в изменение давления, другой — изменение давления в перемещение рабочего органа.

Для разомкнутых автоматических систем входом является зада­ющее воздействие и нагрузка, а выходом — управляемая величи­на (работа).

В процессе совершенствования систем автоматического управ­ления появились комбинированные системы, у которых измери­тельная часть выполняется электрической, а исполнительные ме­ханизмы — гидравлическими или пневматическими.

Классифицировать системы автоматического управления мож­но по методу управления и функциональному признаку. По мето­ду управления все системы делятся на двабольших класса: адап­тивные и неадаптивные (обыкновенные). Неадаптивные системы, относящиеся к категории простых, не изменяют своей структуры в процессе управления. Они наиболее разработаны и широко при­меняются в различных отраслях промышленности. Эти системы подразделяются на три типа: разомкнутые, замкнутые и комби­нированные.

У замкнутой и разомкнутой систем входом считают задающее воздействие, а выходом регулируемый параметр. Основной цепью воздействия называют цепь, идущую от входа к выходу.

Применение разомкнутой системы управления обычно требует участия человека, который должен наблюдать за результатом уп­равления и соответственно изменять задающее воздействие. В ка­честве примера можно привести работу водителя автомашины. Для оперативного контроля за результатом управления применяют разомкнутую измерительную систему, которая повышает точность управления. Основным звеном в этих системах является человек. Цепь, преобразующая изменение регулируемого параметра в кон­трольный сигнал, подаваемый на вход управляющего устройства, называют обратной связью.

Эквивалентные преобразования исходной структурной схемы системы автоматического управления.

Для определения передаточных свойств систем автоматического управления их структурные схемы преобразуют к эквивалентному расчетному виду, позволяющему получать передаточные функции ра­зомкнутых и замкнутых систем. Преобразования структурных схем вы­полняются в соответствии с определенными правилами.

В результате структурных преобразований многоконтурная раз­ветвленная структура преобразуется в одноконтурную систему автоматического управления.

По заданию на курсовую работу ис­ходная структурная схема линейной системы автоматического регули­рования имеет вид:

W5(p)

W3(p)

W1(p)

X(t) Y(t)

W2(p)

W4(p)

ЗвеньяW₁(p) иW₃(p), W₂(p) и W₄(p) соединены последовательно.

Последовательное соединение звеньев. При последовательном соединении звеньев выходная величина предыдущего звена является входной величиной последующего звена.

Переда­точная функция системы последовательно соединенных звеньев равна произведению передаточных функций отдельных звеньев:

Используя правилопоследовательного соединения звеньев, получаем эквивалентную заданной системе структурную схему одноконтурной замкнутой системы автоматического управления:

W5(p)

X(t) Y(t)

W1(p)* W3(p)   *

W2(p)* W4(p)

ЗвеньяW₁(p)* W₃(p) и W₂(p)* W₄(p) соединены параллельно

Параллельное соединение звеньев. Входная величина системы, состоящей из параллельно соединенных звеньев, одновременно подается на входы всех звеньев, а ее выходная вели­чина равна сумме выходных величин отдельных звеньев.

Переда­точная функция системы, состоящей из параллельно соединен­ных звеньев, равна сумме передаточных функций этих звеньев:

Таким образом, звеньяW₁(p)* W₃(p) и W₂(p)* W₄(p) и сумматор объединяем в одно звено с передаточной функцией W₁(p)* W₃(p) + W₂(p)* W₄(p)

Используя правилопараллельного соединения звеньев, получаем

следующую структуру.

W5(p)

W1(p)* W3(p) + W2(p)* W4(p) *

X(t) Y(t)

Разомкнутая система автоматического управления для данного случая будет выглядеть следующим образом:

W1(p)* W3(p) + W2(p)* W4(p)+ W5(p)   *

Х(t) Y(t)

2. Определение передаточной функции разомк­нутой системы.

W1(p)* W3(p) + W2(p)* W4(p)+ W5(p)

Структурная схема разомкнутой системы автоматического управления для нашего случая:

Х(t) Y(t)

W₁(p) W₃(p) + W₂(p) W₄(p)+ W₅(p)

Динамические характеристики элементов систем автоматического управления обычно описываются дифференциальными уравнениями не выше второго порядка. Причем различные по своей физической природе элементы могут описываться одинаковыми дифференциальными уравнениями, поэтому их относят к определенным классам, называемым типовыми звеньями.

Звено 1: y(t) = k₁x(t)

Звено 2:

Звено 3:

Звено 4:

Звено 5: y(t) = k₅x(t)

Параметры дифференциальных уравнений:

k₁ = 4 k₂ = 0,2; k₃ = 2; ; k₅ = 1T₂=0,03; T₃=0,06; T₄=0, 01;

Передаточная функция звена или системы – это отношения изображения выходной величины к изображению входной величины, то есть

От обычной записи дифференциального уравнения переходим к операторной форме записи, причем , и так далее по степеням, .

Подставив исходные данные в уравнения звеньев, получим их значения:

Звено 1: y(t) = k₁x(t)

Звено 2:

Звено 3:

Звено 4:

y(p)=T₄p x(p)

Звено 5: y(t) = k₅x(t)

Подставляем в уравнение передаточной функции разомкнутой системы:

W_RAZ(p) = W_RAZ = W₁(p) W₃(p) + W₂(p) W₄(p)+ W₅(p)

Упрощаем, передаточную функцию разомкнутой системы избавляясь от в числителе и в знаменателе