Автор работы: Пользователь скрыл имя, 14 Ноября 2011 в 23:01, курс лекций
Основы теории автоматического управления
Основные понятия и определения
Принципы управления
Цель предмета – получение знаний в области управления (полностью или частично автоматизированного) химико-технологическими процессами
Пример системы управления (СУ) парогенератором (устройством для получения пара при сжигании жидкого топлива):
Поддержание давления пара на заданном уровне – цель управления.
Датчик давления выдает информацию регулятору, который с помощью ИМ осуществляет изменение проходного сечения запорной арматуры с целью стабилизации давления пара.
Часто для анализа и синтеза систем
управления используют структурные схемы,
в которых элементы СУ представлены в
виде прямоугольника, имеющего вход и
выход
Для обеспечения правильной работы системы очень важно согласование регулятора с управляемым объектом
Для схемы (рис.1) составляется структурная схема
Основные элементы СУ – объект и регулятор.
У объекта имеется множество параметров состояния. Из этого множества выбирают те параметры, которые прямо или косвенно свидетельствуют о нарушениях хода технологического процесса – это так называемые регулируемые переменные y(t) (выходные характеристики).
Отклонение температуры свидетельствуют о нарушении теплового баланса;
уровня жидкости – баланса по жидкой фазе;
давления – баланса по газовой фазе;
концентрации – баланса по компонентам.
На объект поступают
внешние воздействия - возмущения f(t),
либо регулирующие воздействия xр:
Различают возмущения контролируемые (можно измерить) и неконтролируемые (измерить невозможно или нецелесообразно).
Основным возмущающим фактором является нагрузка. Для парогенератора – это расход пара.
Для управления выходными переменными y(t) используются управляющие (регулирующие) воздействия xр(t) (могут также обозначаться x(t), u(t)). Как правило, это изменение положения регулирующего органа и связанный с ним расход вещества или энергии, выделяемая мощность электронагревателей и пр.
Для обеспечения качественного управления объектом (рис.1) необходимо согласовать статические и динамические характеристики регулятора с характеристиками объекта.
Обычно датчики и исполнительные устройства относят к объекту (т.к. в процессе эксплуатации они не меняются), что позволяет структурную схему (рис.2) рассматривать в упрощенном виде:
Системы управления классифицируются по различным признакам, в том числе по принципам управления. Различают следующие принципы управления:
Если удается выделить и измерить основной возмущающий фактор, то может быть реализован данный принцип.
Структурная схема
Регулятор изменяет расход топлива в соответствии с основным возмущающим фактором – расходом пара.
Достоинствo: простота и быстродействие.
Недостаток: не компенсирует остальные возмущающие факторы
При реализации данного принципа используют так называемый принцип инвариантности: при любых задающих и возмущающих воздействиях выходная характеристика должна быть тождественно равна заданию: . Это обеспечивает компенсацию возмущений. Принцип инвариантности не всегда технически реализуем (например, когда запаздывание по каналу управления выше, чем по каналу возмущения).
К так называемому разомкнутому управлению относится также программное управление.
Основное свойство – регулятор "не следит" за тем, что "натворил" на объекте (например, полив в теплице при размножении растений).
На вход регулятора поступает отклонение . Регулятор воздействует на объект тогда, когда , стремясь устранить это отклонение вне зависимости от причин, его вызывающих.
Достоинство: устраняет все возмущения, включая неконтролируемые, т.е. обеспечивает точность управления.
Недостатки: при реализации данного принципа не всегда удается обеспечить достижение трех показателей: точности, быстродействия и устойчивости, поэтому применяют комбинированное управление.
рис. 5
Регулятор 1 формирует принцип по возмущению; работает быстро.
Регулятор 2 формирует принцип по отклонению; работает точно.
Оба воздействуют на один исполнительный механизм.
Регулятор
1 может использоваться в качестве
задатчика регулятора 2 (изображено пунктиром).
Это совокупность правил, выраженных в той или иной форме и определяющих характер изменения выходной характеристики в ходе технологического процесса.
Различают следующие АФ
При этом в течение технологического процесса выходная характеристика поддерживается постоянной
Наиболее часто используется управление по временной программе (например, поддержание температуры и влажности воздуха в сушилке для древесины),
а также по координате (станки с ЧПУ).
В этом случае реализуется также разомкнутый принцип.
Используются в случае, когда нельзя задать заранее характер изменения выходной характеристики, т.к. она должна следить за изменением другого параметра (отслеживание автоматической зенитной установкой полета цели).
В ряде случаев эффективность процесса может обеспечиваться экстремальным значением какого-либо параметра (настройка радиоприемника на максимальную мощность сигнала):
При исчезновении максимума необходимо делать пробные шаги в ту и другую сторону.
Реализуется в случае обеспечения какого-либо критерия оптимальности (эффективности) процесса: min себестоимость, max производительность…
Наиболее эффективен при переходе с одного режима на другой, например:
перевод парогенератора с P1 до P2 за min время при ограничениях на max расход топлива.
Различают:
Характеризуются тем, что управляющее воздействие занимает определенную позицию, а переход из одной позиции в другую осуществляется в момент достижения выходной характеристикой своего порогового значения.
Рассмотрим
пример управления электрическим нагревателем
в помещении с помощью датчика-
В момент времени обеспечивается подача электроэнергии в помещение. Так как , то контакт ДТКБ в схеме управления замкнут, катушка магнитного пускателя КМ получает питание, магнитный пускатель своими силовыми контактами обеспечивает подачу электроэнергии электронагревателю ЕК (силовая схема).
В момент времени достигает верхнего порога срабатывания ДТКБ, разрывает его контакт в схеме управления, обесточивается катушка КМ, разрываются силовые контакты КМ, нагреватель отключается.
В момент времени достигает нижнего порога срабатывания ДТКБ. Его контакт в схеме управления замыкается, обеспечивая срабатывание магнитного пускателя КМ и включение электронагревателя. Далее процесс происходит аналогично, при этом совершает автоколебательное движение вблизи уставки на срабатывание . Зона нечувствительности 2δ присуща всем позиционным регуляторам и подлежит настройке.
В жизни происходит запаздывание реакции объектов, поэтому реальная картина искажена.
Рассмотрим систему управления 2х-секционным электрокалорифером с помощью двух датчиков-реле ДТКБ. И схема управления, и силовая схема аналогичны предыдущему примеру для каждой секции.
В этом случае 3 позиции управляющего воздействия:
В момент температура в помещении ниже уставок на срабатывание обоих датчиков-реле ( и ). При подаче эл.питания в помещение вследствие замкнутости обоих контактов ДТКБ включаются оба нагревателя "собственными" магнитными пускателями. Температура в помещении растёт.
В момент отключается нагреватель 1, т.к. достигает верхнего порога срабатывания его датчика-реле. При теплопотерях в помещении ниже мощности 1-го нагревателя температура продолжает расти.
В момент отключается 2й нагреватель по аналогичной причине. Далее процесс продолжается аналогично рассмотренному на верхнем уровне температуры .
Предположим, что, начиная с момента времени , теплопотери помещения превышают мощность нагревателя 2. Поэтому при включенном нагревателе 2 температура в помещении падает.
В момент дополнительно включается нагреватель 1 (т.к. замкнулись контакты его ДТКБ). Далее процесс управления происходит аналогично по 2х позиционному закону, но на нижнем уровне температуры .
В этих случаях, регулирующие органы могут быть снабжены 1-фазными или обычными 3хфазными асинхронными электродвигателями с редукторами.
В этом случае 3 позиции управляющего воздействия:
Рассмотрим схему управления 1-фазным электродвигателем на напряжении 220В (в схеме не рассмотрены блокировка и конечные выключатели)