Классификация систем автоматического управления
Лабораторный практикум
по курсу «Основы теории управления».
Обнинск 2012
УДК
Белаец Л.В., Нахабов А.В. Лабораторный практикум по курсу «Основы теории управления». – Обнинск: ИАТЭ НИЯУ МИФИ, 2012. – 90 с.
Учебное пособие соответствует программе курса лекций по основам теории управления. Содержит краткие сведения по теории автоматического управления, описание программного комплекса Vissim и четыре лабораторные работы.
Пособие предназначено для студентов, изучающих курсы «Основы теории управления» и «Теоретические основы специальности».
Рецензенты:
Темплан 2012, поз. 38
© ИАТЭ НИЯУ МИФИ, 2012 г.
© Л.В. Белаец, А.В. Нахабов, 2012 г.
ВВЕДЕНИЕ
ТАУ (теория автоматического управления) – научная и техническая дисциплина, рассматривающая общие принципы системной организации, на основе построения математических моделей объектов и систем управления. Это позволяет оценивать характеристики и свойства проектируемых систем, создавать системы, отвечающие заданным требованиям качества.
Анализ - исследование системы управления, путем построения ее математической модели и изучения свойств этой модели. Анализ проводится с целью выяснения вопроса о том, способна ли, в принципе, модель САУ (система автоматического управления) решать задачу управления, и если нет, то какими методами и средствами ее можно сделать работоспособной.
Синтез – (теоретическое конструирование) – построение модели системы управления, обеспечивающей требуемое поведение объекта управления.
Автоматическим регулированием называется поддержание постоянной или изме5нение по заданному закону некоторой величины, характеризующей процесс. Автоматическим управлением называется автоматическое осуществление совокупности воздействий, выбранных из множества возможных на основании определенной информации и направленных на поддержание или улучшение функционирования объекта в соответствии с целью управления. Задачи регулирования входят в состав задач управления.
Этапы проектирования системы управления:
− выбирается объект управления, определяются цели его функционирования, управляемые величины и воздействия, которые могут быть приложены к его входам;
− на основании инженерного опыта, интуиции строится функциональная схема системы управления, которая, в принципе, способна решить поставленную задачу управления объектом;
− по функциональной схеме строится модель системы управления, представляющая собой так называемую структурную схему, отображающую взаимодействие элементов модели, а также набор передаточных функций, описывающих отдельные элементы структуры;
− анализ модели, который включает в себя: изучение свойств и характеристик модели, определение ее работоспособности и показателей качества, в первую очередь точности и быстродействия;
− синтез САУ (теоретическое конструирование), при котором оптимизируются параметры и структура системы управления, с тем, чтобы обеспечить требуемое качество;
− техническая реализация.
КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
По характеру изменения величин САУ делятся на: системы непрерывного действия и системы дискретного действия, которые, в свою очередь подразделяются на импульсные, цифровые и релейные.
По математическому признаку САУ бывают: линейные (системы, динамика всех звеньев которых описывается линейными уравнениями с линейными статическими характеристиками); нелинейные (системы, в которых хотя бы в одном звене нарушена линейность статических характеристик или есть другая нелинейная связь) и существенно нелинейные.
По характеру динамического процесса в САУ выделяют: стационарные системы, в которых реакция на входное воздействие зависит только от интервала времени между данным моментом и моментом начала этого воздействия; нестационарные системы, в которых реакция на входной сигнал зависит не только от вида этого сигнала, но и от момента времени его приложения.
По типу ошибки в статике существуют: статические САУ; астатические САУ.
По алгоритмам функционирования (по назначению) системы автоматического управления подразделяются следующим образом: системы стабилизации, системы слежения, системы программного управления, системы телеуправления, системы самонаведения (снаряда), сопровождения (орудия), автопилотирования, системы компенсационных измерений и др.
По принципу управления все САУ подразделяют на системы разомкнутого управления, системы управления по отклонению (принцип обратной связи), системы управления по возмущению (в структурную схему вводят контур с элементом «компенсатор цепи», который позволяет системе стать независимой к возмущающим действиям) и системы комбинированного управления (сочетают оба принципа: по отклонению и по возмущению).
По наличию или отсутствию вспомогательной энергии системы бывают двух видов: прямого действия (для работы используют энергию объекта управления и внутреннюю энергию системы); непрямого или косвенного действия (для работы необходим внешний источник питания).
Системы автоматического управления по степени связанности процессов в объекте разделяют на: одноконтурные, многоконтурные с одной регулируемой величиной и многоконтурные с несколькими регулируемыми величинами.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Объект управления (ОУ) в ТАУ – это устройство, машина или процесс и др., которые характеризуются некоторыми физическими величинами. Эти величины могут быть измерены. Объект управления способен воспринимать внешние воздействия и реагировать на них изменением значений выходных величин.
Объектами управления в технике могут быть машины, механизмы, электромеханические устройства, более простые САР и др.
Рис. 1 Обозначение объекта управления (ОУ) на функциональной схеме: x(t) – воздействие на объект; y(t) – реакция объекта.
С точки зрения ТАУ не так важно, из каких физических элементов состоит объект управления (ОУ), куда важнее знать, как объект реагирует на внешние воздействия.
Различают статический и динамический режимы работы объекта или системы управления. В статике все сигналы (воздействия и реакции) постоянны, инерционность элементов САР не проявляется. В динамике воздействия, а следовательно и отклики, реакции объектов и систем, изменяются, что приводит к проявлению инерционных свойств объектов.
Статическая характеристика – зависимость выходной величины объекта увых, т.е. величины характеризующей объект управления, от величины подаваемого на его вход воздействия хвх, при условии, что подаваемое воздействие постоянно, т.е. хвх = const.
При малых изменениях воздействий, как правило, любой объект является линейным, т.е. малые изменения воздействий приводят к малым изменениям реакций, пропорциональным изменению воздействий.
Рис. 2 Примеры статических характеристик объектов управления. 1 – линейная характеристика; 2,3 – нелинейные характеристики
Характеристики объекта:
· диапазон линейности статической характеристики;
· быстродействие – определяется инерционностью объекта;
· чувствительность (крутизна статической характеристики)
Свойства объекта:
· способность к усилению
· способность к накоплению
· прогнозируемость
· инерционность
· колебательность
· способность терять устойчивость
· запаздывание
· нелинейность
Функциональная схема состоит из блоков соответствующих функциональным, физически существующим элементам объектов, а стрелки указывают на направление передачи энергии между ними.
Пример:
Рис. 3 Пример функциональной схемы. Г – генератор; ТП – тиристорный преобразователь; ДПТ – двигатель постоянного тока; Мс – момент сопротивления на валу двигателя; uя – напряжение на якорной обмотке; n – частота вращения вала двигателя.
Структурная (структурно-алгоритмическая) схема – состоит из звеньев, соответствующих математическим операциям преобразования сигналов; стрелки между блоками указывают направление передачи информации (сигналов).
Пример:
Рис. 4 Фрагмент структурной схемы. Показаны сумматор, пропорциональное звено и интегратор.
Замечание: в структурной схеме в блок может входить только одна стрелка, за исключением сумматора и перемножителя сигналов.
Примечание. Функциональная схема объекта единственна и может отличаться лишь глубиной, подробностью отображения элементов объекта. Структурных схем для одного и того же объекта может быть составлено несколько разных, причем все они будут эквивалентны между собой. Структурная схема – это особого вида математическая модель объекта или системы управления.