Те последовательность процедур управления.

Изобразите структурную схему динамической системы и расскажи-

те последовательность процедур управления.

Выше

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

2.1. Предмет изучения

Предметом изучения являются основные понятия и методы анализа

свойств, а также методы анализа устойчивости динамических систем.

В теории автоматического управления (ТАУ) динамической называют

систему, входы и выходы которой изменяются во времени.

Для удобства динамические системы, в том числе объекты управления,

представляют в виде структурных схем. На рис. 2.1 показана структурная

схема, на которой обозначены: вектор выходных величин Y{y1,y2,…,yn}, вектор

управляющих воздействий X{x1,x2,…,xm}, вектор возмущающих воздействий

L{l1, l2,…,lk} и вектор параметров системы P{p1,p2,…,pl}.

Само управление состоит из процедуры измерения координат вектора

выходных величин Y , процедуры принятия решения о внесении управляю-

щего воздействия и процедуры воздействия на координаты вектора входных

управляющих величин X.

Структурно эта последовательность представляет собой замкнутый

контур. На рис.2.2 изображена последовательность реализации процедур

управления.

\

Операция измерение осуществляется с помощью средств измерения

выходных величин. Внесение управляющих воздействий осуществляется с

помощью средств физического воздействия на входные величины.

Функция принятия решения может быть реализована человеком (руч-

ное и дистанционное управление), специальным устройством (автоматиче-

ское управление) или специальными устройствами с участием человека (ав-

томатизированное управление).

3. Чем отличается ручное управление от автоматического управления?

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ И АВТОМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ И АВТОМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ Автоматизированная система управления (АСУ) и система автоматического управления (САУ) — комплекс аппаратных и программных средств, предназначенный для управления различными процессами в рамках технологического процесса, производства, предприятия.

4. Для чего автоматизируют технологические процессы?

Термин автоматизированная, в отличие от термина автоматическая подчёркивает сохранение за человеком-оператором некоторых функций, либо наиболее общего, целеполагающего характера, либо не поддающихся автоматизации.

Важнейшая задача АСУ - повышение эффективности управления объектом на основе роста производительности труда и совершенствования методов планирования процесса управления.

5. Какие виды автоматического управления Вы знаете? Где они при-

меняются?

Системы автоматического управления (САУ) Типы систем автоматического управления

Система автоматического управления, как правило, состоит из двух основных элементов — объекта управления и управляющего устройства.

САУ можно разделить:

По цели управления

Объект управления — изменение состояния объекта в соответствии с заданным законом управления.

Такое изменение происходит в результате внешних факторов, например вследствие управляющих или возмущающих воздействий.

А) Системы автоматического регулирования

Системы автоматической стабилизации. Выходное значение поддерживается на постоянном уровне (заданное значение — константа). Отклонения возникают за счёт возмущений и при включении.

Системы программного регулирования. Заданное значение изменяется по заранее заданному программному закону f. Наряду с ошибками, встречающимися в системах автоматического регулирования, здесь также имеют место ошибки от инерционности регулятора.

Следящие системы. Входное воздействие неизвестно. Оно определяется только в процессе функционирования системы. Ошибки очень сильно зависят от вида функции f(t).

Б) Системы экстремального регулирования Способны поддерживать экстремальное значение некоторого критерия (например минимальное или максимальное), характеризующего качество функционирования объекта. Критерием качества, который обычно называют целевой функцией, показателем экстремума или экстремальной характеристикой, может быть либо непосредственно измеряемая физическая величина (например, температура, ток, напряжение, влажность, давление), либо КПД, производительность и др. Выделяют: Системы с экстремальным регулятором релейного действия. Универсальный экстремальный регулятор должен быть хорошо масштабируемым устройством, способным исполнять большое количество вычислений в соответствии с различными методами. Сигнум-регулятор используется как аналоговый анализатор качества, однозначно характеризующий лишь один подстраиваемый параметр систем. Он состоит из двух последовательно включенных устройств: Сигнум-реле (D-триггер) и исполнительный двигатель (интегратор). Экстремальные системы с безинерционным объектом Экстремальные системы с инерционным объектом Экстремальные системы с плавающей характеристикой. Используется в случае, когда экстремум меняется непредсказуемым или сложно идентифицируемым образом. Системы с синхронным детектором (экстремальные системы непрерывного действия). В прямом канале имеется дифференцирующее звено, не пропускающее постоянную составляющую. Удалить или зашунтировать по каким-либо причинам это звено невозможно или неприменимо. Для обеспечения работоспособности системы используется модуляция задающего воздействия и кодирование сигнала в прямом канале, а после дифференцирующего звена устанавливают синхронный детектор фазы.

В) Адаптивные системы автоматического управления

Служат для обеспечения желаемого качества процесса при широком диапазоне изменения характеристик объектов управления и возмущений. По виду информации в управляющем устройстве

А) Замкнутые САУ В замкнутых системах автоматического регулирования управляющее воздействие формируется в непосредственной зависимости от управляемой величины. Связь входа системы с его выходом называется обратной связью. Сигнал обратной связи вычитается из задающего воздействия. Такая обратная связь называется отрицательной.

Б) Разомкнутые САУ Сущность принципа разомкнутого управления заключается в жестко заданной программе управления. То есть управление осуществляется «вслепую», без контроля результата, основываясь лишь на заложенной в САУ модели управляемого объекта. Примеры таких систем : таймер, блок управления светофора, автоматическая система полива газона, автоматическая стиральная машина и т. п. В свою очередь различают: Разомкнутые по задающему воздействию Разомкнутые по возмущающему воздействию

6. Что такое тестовое ступенчатое входное воздействие, для чего оно

используется и как выполняется на практике.

Тестовые ступенчатые входные воздействия

Наиболее распространенным видом тестового входного воздействия

является с т уп е н ч а т о е возмущение . Ступенчатое входное воздействие

является естественным простейшим воздействием на объект управления

На практике изменение входной величины происходит с ограниченной

скоростью. Это является нарушением условия о ступенчатом воздействии и

время Dt рекомендуется доводить до минимума. При этом за начало действия

ступенчатого воздействия считается момент времени t0. Величина X выбира-

ется из технологических соображений таким образом, чтобы определение

динамических характеристик не привело к запредельным значениям как

входной, так и выходной величин.

В математике для описания ступенчатых входных воздействий исполь-

зуется функция:

x( t ) = X .1( t )

где Х – величина входного воздействия, выбираемая из технологиче-

ских соображений;

1(t)- с т уп е н ч а т а я ед и н и ч н а я функция Хе в и с а й д а :

7. Из каких элементов состоит и как работает система регулирования

температуры горячей воды на водогрейном котле?

Автоматическое управление

Прежде чем создавать устройство автоматического управления требу-

ется определить цель и задачу управления конкретным объектом.

Существует три постановки задачи управления.

1. Управление с целью поддержания технологического параметра на за-

данном уровне. Такое управление называется с т а б и л и з а ц и е й или р е г ул и р о в а н и ем. Для его реализации требуется установить заданное значение

регулируемого параметра.

В теплоэнергетике автоматические системы регулирования широко ис-

пользуются для стабилизации параметров непрерывных технологических

процессов, например, таких как температура, давление, уровень, расход, кон-

центрация. Назначением таких систем является устранение вредного влияния

на процесс управления случайных возмущений.

2. Управление с целью изменения технологического параметра по за-

данной программе. Например, скачкообразное с 60 °С до 80 °С, или посте-

пенное, со скоростью 5 °С в минуту, увеличение температуры. Такое управ-

ление называется п р о г р аммным уп р а в л е н и ем или п р о г р аммным

р е г ул и р о в а н и ем.

Программное регулирование в теплоэнергетике применяется в процес-

сах регулярного (планового) пуска и останова технологического оборудова-

ния, а так же в металлургии и в химической промышленности для управле-

ния процессами термической обработки металлов и аппаратов периодическо-

го действия.

3. Наиболее совершенным и сложным управлением является о п т и -

ма л ь н о е уп р а в л е н и е . Задачу оптимального управления можно объяс-

нить на примере процесса горения в топке котла или технологической печи.

Известно, что для полного сгорания фиксированного объема топлива требу-

ется строго фиксированный объем воздуха. При недостатке воздуха часть то-

плива не сгорает. При излишках воздуха полезная теплота расходуется на их

нагрев, что увеличивает потери с уходящими газами.

Задачей оптимального управления является поиск и поддержание для

каждого расхода топлива такого расхода воздуха, при котором температура в

топке была бы максимальной.

Для реализации изложенных задач управления существуют множество

регулирующих устройств различного исполнения и сложности. Есть про-

стейшие, максимально встроенные в технологический агрегат устройства.

Есть специальные устройства управления, предназначенные для управления

конкретными процессами и аппаратами. Наконец, существуют сложные про-

граммно-технические комплексы, специально разрабатываемые для управле-

ния сложными технологическими агрегатами и участками.

Существует большое число аппаратов и процессов, для которых про-

мышленностью выпускаются универсальные технические средства агрегат-

ного исполнения в виде отдельных приборов, устройств или блоков. На базе

этих элементов создают системы управления, требующие внешних энергети-

ческих затрат для своей работы.

На рис. 2.4 показана укрупненная схема внешних соединений такой

системы регулирования, реализованной из термопары, регулирующего при-

бора, задающего устройства, блока управления, пускового устройства, испол-

нительного механизма и регулирующего органа. Схема предназначена для регулирования температуры нагреваемой воды в водогрейном котле с воздействием на расход газа.

В регулирующем приборе преобразованная в электрическое напряже-

ние э.д.с. термопары сравнивается с напряжением от задающего устройства.

Задающее устройство предназначено для установки требуемой температуры

горячей воды на выходе котла. В случае отклонения текущего значения тем-

пературы от заданного регулирующий прибор замыкает контакты пускового

устройства, соединяющие обмотку электродвигателя исполнительного меха-

низма с сетью 220 В, выходной вал которого начинает вращаться. Выходной

вал исполнительного механизма жестко соединен со штоком заслонки регу-

лирующего органа, от положения которой зависит проходное сечение и рас-

ход газа в топку котла. Целью изменения положения заслонки является уста-

новка такого значения расхода газа, при котором температура горячей воды

будет равной заданному значению.

8. В чем состоит проблема синтеза и анализа системы управления?

Взаимодействия в системах регулирования и управления носят специ-

фический характер. Здесь для правильной работы в первую очередь важна

достоверность и своевременность поступления информации об отклонениях

регулируемой величины объекта, а вопрос о физической природе сигналов-

носителей информации играет второстепенную роль.

Это позволяет на стадии теоретических исследований вообще не рас-

сматривать физическую природу элементов и устройств АСР, а оперировать

только математическими выражениями процессов взаимодействия, задавая

изменения входных величин функциями времени.

Основная задача при этом сводится к созданию оптимальных АСР,

обеспечивающих наименьшее рассогласование между текущими и заданны-

ми значениями регулируемых величин и соответственно наилучшее качество

регулирования.

Решение такой задачи в теории управления называется с и н т е з ом

АСР, который является основой для проектирования конкретных систем

управления технологическими процессами.

Классическим методом а н а л и з а АСР является изучение динамиче-

ских и статических характеристик объектов управления и замкнутых АСР.

Ди н ами ч е с к и е х а р а к т е р и с т и к и показывают характер измене-

ния выходных величин объекта регулирования или АСР на интервале време-

ни при изменениях входных величин.

Ст а т и ч е с к и е ха р а к т е р и с т и к и являются частным случаем дина-

мических. Они отражают зависимость выходных величин от входных в со-

стояниях равновесия. Равновесными или стационарными состояниями дина-

мических систем это такие состояния, когда входные и выходные величины

остаются неизмененными на интервале времени наблюдения.

9. С какими проблемами мы сталкиваемся при синтезе и анализе объ-

ектов управления в теплоэнергетике?

Основными проблемами управления технологическими процессами в

теплоэнергетике являются следующие.

1. Большая инерционность тепловых и материальных процессов, про-

являющаяся в том, что реакция выходных величин объекта управления на из-

менение входных воздействий происходит через значительные интервалы

времени. Это хорошо иллюстрируется в приведенном на рис. 2.4 примере

системы регулирования температуры воды. После изменения расхода газа

сначала изменится режим горения, затем начнет изменяться температура сте-

нок труб. Только после этого изменение расхода газа проявится на температу-

ре воды. Эта задержка во времени называется и н е р ц и о н н о с т ью о бъ е к-

т а уп р а в л е н и я , которая существенно затрудняет прогнозирование пове-

дения его при управлении.

2. Большая степень неопределенности характеристик объекта управ-

ления. Например, неопределенность теплопередающих свойств конструкци-

онных материалов котлов затрудняет правильный выбор глубины внесения

управляющих воздействий (расход газа в примере на рис. 2.4.) для достиже-

ния требуемого значения выходной величины (температуры _______воды).

3. Непостоянство во времени динамических и статических характери-

стик объектов управления, связанное с загрязнением, засолением или разру-

шением конструкционных материалов аппаратов и оборудования, приводя-

щих к изменению тепло-гидравлических свойств. Это обстоятельство требует

дополнительных затрат на подстройку системы управления в процессе ее

функционирования.

Первым шагом задачи синтеза АСР является изучение динамических

характеристик объектов регулирования. На основе их анализа разрабатыва-

ются регуляторы с требуемыми динамическими характеристиками.

10. Дайте определение кривой разгона и переходной характеристики.

Как их получить экспериментально?

Кривые разгона и переходные характеристики

Реакция динамической системы на ступенчатое входное воздействие

х(t) называется к р и в о й р а з го н а . Кривую разгона обозначают у(t). Она

имеет размерность выходной величины.

Реакция динамической системы на единичное ступенчатое воздейст-

вие, когда все ординаты у(t) поделены на х(t), называется п е р еход н о й ха -

р а к т е р и с т и ко й .Она обозначается h(t)и имеет размерность в виде отно-

шения размерности выходной величины к размерности входной величины.

Экспериментально кривые разгона определяются следующим образом:

1. Контролируется состояние динамической системы. До момента вне-

сения ступенчатого возмущения система должна находиться в стационарном

состоянии;

2. Осуществляется максимально быстрый перевод входного воздейст-

вия на уровень х(t). Момент начала изменения входного воздействия прини-

мается за начало отсчета времени;

3. Непрерывно или через равные интервалы времени записываются ре-

зультаты измерения ординат кривой разгона у(t) и ступенчатого возмущения

х(t). Интервалы времени выбираются в зависимости от скорости изменения

у(t). Для участков кривой разгона с большой скоростью изменения интерва-

лы должны быть меньше;

4. Ординаты кривой разгона пересчитываются в ординаты переходной

Характеристики

Рис. 2.7. Временные характеристики динамических систем

а) – ступенчатое возмущение; б) – кривая разгона;

в) – переходная характеристика.

11. Приведите математическое описание входного воздействия в ви-

де ступенчатой функции.

12. Как с использованием дифференциального уравнения получить

аналитическое выражение переходной характеристики динамического звена?

Линейное обыкновенное неоднородное дифференциальное уравнение

n-го порядка имеет вид:

где Т и k – постоянные коэффициенты (параметры уравнения).

В ТАУ принято разделение коэффициентов по физической сущности:

Т - постоянная времени, имеющая размерность времени,

k - коэффициент передачи (усиления), имеет размерность переходной

характеристики (отношение размерности выходной величины к размерности

входной величины).

13. В чем различие режимов работы программы Маthcad ｫAutomatic

Calculation» и ｫCalculationｻ?

Последовательность операций установки режима ручного счета пока-

зана на рис. 1.3. Автоматический режим счета отключится, если установить

курсор на кнопку «Automatic Calculation» меню «Math» и нажать левую кла-

вишу мыши.

14. Приведите порядок работы с опцией ｫTrace» в программе

Маthcad.

В Mathcad предусмотрена возможность считывания ординат графиков с

помощью опции «Trace». Для вызова опции «Trace» установить курсор в по-

ле графика, нажать левую клавишу мыши. Формат графика включится для

редактирования. У графика появятся предельные значения осей, идентифика-

торы выводимых функций, цвета и способы их изображения. Затем следует

нажать правую клавишу мыши. Рядом с курсором появится падающее меню

с опциями редактирования (см. рис. 1.8). Далее следует установить курсор на

раздел «Trace» и нажать левую клавишу. На рабочем поле окна Mathcad поя-

вится окно. Теперь, если установить курсор на один из графиков, в поле шаб-

лона появится визир, координаты перекрестья которого будут показаны в ин-

дикаторах окна «X-Y Trace».