Методические указания к выполнению практической работы по дисциплине «Теория автоматического управления» для студентов специальности 210100 всех форм обучения Одобрено (стр. 1 из 4)
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Саратовский государственный технический университет
Балаковский институт техники, технологии и управления
СОСТАВЛЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ СИСТЕМ
АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
Методические указания к выполнению практической работы
по дисциплине «Теория автоматического управления»
для студентов специальности 210100 всех форм обучения
Одобрено
редакционно-издательским советом
Балаковского института техники,
технологии и управления
Балаково 2009
Цель работы: Изучение принципов построения системы автоматического управления.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Работа любого технического устройства характеризуется одной или несколькими физическими показателями (параметрами, выходными сигналами, регулируемыми величинами). Например, работа генератора характеризуется величиной напряжения и частотой тока, работа двигателя – угловой частотой вращения ротора; паровой котел – давлением пара, резервуар – уровнем жидкости.
При решении производственных задач возникает необходимость стабилизировать данную физическую величину в техническом устройстве или, согласно технологическим требованиям, должным образом изменить ее значение (регулировать). Главной причиной незапланированного изменения регулируемой величины является изменение нагрузки и других возмущающих воздействий. Поэтому задача уменьшения отклонения регулируемой величины от заданной является основной задачей системы автоматического управления (САУ).
Для решения этой задачи необходимо провести анализ работы САУ и определить какой элемент САУ на какой показатель качества управления и каким образом влияет. Для этого по заданной принципиальной схеме определяются функциональные элементы системы управления, которые показывают назначение каждого элемента в процессе управления и составляется функциональная схема.
Автоматическим называется управление техническим процессом без участия человека.
Автоматическим регулятором называется регулирующее устройство, осуществляющее управление объектом регулирования согласно заданному алгоритму.
Алгоритм управления – это правило выработки управляющего воздействия для решения поставленной задачи.
Система автоматического управления (САУ) – это взаимодействующий с объектом управления автоматический регулятор, в котором преобразование и передача информации, формирование управляющих команд и их реализация осуществляется автоматически, согласно, заданного алгоритма управления.
Для анализа САУ используются принципиальная схема и функциональная схема.
Принципиальная схема показывает физическую природу элементов автоматики, технические характеристики, принцип действия и взаимодействие между ними.
Элементом автоматики называется часть системы, в которой происходит качественное или количественное преобразование физической величины и передачи ее к последующему элементу.
На принципиальной схеме все элементы и связи между ними изображаются в виде условного графического обозначения. Это позволяет изготовить автоматическую систему или произвести ее ремонт.
Функциональная схема состоит из функциональных элементов, которые показывают их функциональное назначение при автоматическом управлении технологическим процессом и связь между ними.
Функциональный элемент – это условно выделенная часть САУ, выполняющая определенную функцию по реализации заданного алгоритма управления.
На функциональной схеме все элементы (кроме сравнивающего устройства) изображаются в виде прямоугольников с указанием их функционального назначения. Сравнивающее устройство изображается в виде окружности с крестиком внутри. Связь между элементами изображается сплошными линиями со стрелками, показывающие направление прохождения управляющих сигналов.
Классификация функциональных элементов
Объект управления (регулирования) (ОР) – машины, аппараты или другие устройства, требуемый режим которых поддерживается регулятором путем управления (регулирования) заданных величин.
Исполнительное устройство (ИУ) – функциональный элемент, осуществляющий выработку управляющих сигналов согласно алгоритма управления и непосредственно воздействующих на объект управления для изменения режима его работы.
Усилитель (У) – функциональный элемент, в котором, не изменяя физическую природу входного сигнала, осуществляется увеличение его мощности за счет энергии вспомогательного источника питания.
Преобразующее устройство (ПУ) – функциональный элемент, принимаемый для преобразования управляющего сигнала с целью изменения закона управления. Усилительное и преобразующее устройства могут быть объединены в один функциональный блок: усилительно преобразующее устройство.
Датчик (Д) – функциональный элемент, измеряющий и преобразующий информацию о физической величине (показателю работы) в сигнал, удобный для обработки и использования в системе управления.
Корректирующее устройство (КУ) – функциональный элемент, служащий для повышения устойчивости САУ и улучшения ее динамических характеристик.
Задающее устройство (ЗУ) – функциональный элемент, служащий для формирования сигнала, согласно заданному значению регулируемой величины.
Сравнивающее устройство – это функциональный элемент, осуществляющий алгебраическую операцию по отношению к воздействиям, поступающим на его вход (например, операции сложения или вычитания поступающих сигналов).
Классификация сигналов, действующих в САУ
Регулируемая величина X(t) – это показатель, характеризующий состояние объекта управления. Например, температура, уровень, давление и т.д.
Возмущающее воздействие (помехи) f(t) – это воздействие, нарушающее требуемую функциональную зависимость (связь) между задающим воздействием и регулируемой величиной.
Управляющее воздействие Q(t) – это воздействие, поступающее с исполнительного устройства на объект управления для управления регулируемой величиной.
Задающее воздействие U(t) – это величина, соответствующая заданному (предписанному) значению регулируемой величине.
Различают следующие значения регулируемой величины.
Предписанное значение регулируемой величины Xпр(t) – это значение регулируемой величины, соответствую щее требуемому режиму работы объекта регулирования.
Действительное значение регулируемой величины Xдей(t) – это значение регулируемой величины, соответствующее фактическому режиму работы объекта регулирования.
Ошибка регулирования X(t) – разность между предписанным и действительным значениями регулируемой величины.
Статическая ошибка регулирования ΔX(∞) – это ошибка регулирования в установившемся режиме.
Пример составления функциональной схемы
Дана принципиальная схема автоматического регулирования уровня бензина в карбюраторе (рис. 1). Определить функциональные элементы САУ и составить функциональную схему.
РЕШЕНИЕ: Принцип работы. При увеличении расхода бензина из поплавковой камеры уровень бензина уменьшается и поплавок опускается. Вместе с ним опускается игла, открывается запорный клапан и увеличивается приток бензина.Рис. 1. Принципиальная схема регулирования уровня топлива
в поплавковой камере.
В результате уровень бензина в поплавковой камере восстанавливается.
Определяем объект регулирования и действующие на него факторы.
Объект регулирования (ОР) – поплавковая камера карбюратора, в которой происходит процесс регулирования.
Регулируемая величина X(t) – уровень бензина.
Возмущающее воздействие f(t) – изменение расхода бензина.
Управляющее воздействие Q(t) – подача бензина в поплавковую камеру для восстановления заданного уровня.
Функциональная схема ОР и сигналы, воздействующие на него, показаны на рис. 2.Рис. 2. Функциональная схема ОР и сигналы, воздействующие на него.
Элементы функциональной схемы.
Исполнительное устройство (ИУ) – запорный клапан, от которого зависит количество поданного бензина в поплавковую камеру. Чем ниже будет расположена игла, тем больше будет подано бензина в поплавковую камеру.
Датчик (D) – поплавок, который служит для измерения регулируемой величины (уровня бензина) и в преобразование его в перемещение иглы клапана.
Задающее устройство (ЗУ) – заданная длина стержня иглы клапана.
Рассмотрим, как в данном автоматическом устройстве происходит работа сравнивающего устройства (рис. 3).
Выходной сигнал от задающего устройства – предписанная длина стержня Lпр, на котором установлена игла клапана.
Выходной сигнал от задающего устройства – предписанная длина стержня Lпр, на котором установлена игла клапана.
Выходной сигнал от датчика – действительное расстояние от запорного клапана до уровня бензина Lдей, которое передается на сравнивающее устройство с помощью поплавка.
Работа сравнивающего устройства заключается в сравнении этих двух сигналов. В результате, чем меньше уровень бензина или чем ниже расположен поплавок, тем ниже опускается запорная игла относительно заданного значения, и тем больше будет поступать бензин в поплавковую камеру. Величина опускания иглы от заданного уровня ΔL определяется уравнением:
 |
