Управление техническими системами лекции (стр. 2 из 17)
где L - линейная функция (интегрирование, дифференцирование и т.д.).
7. По виду используемой для регулирования энергии:
· пневматические,
· гидравлические,
· электрические,
· механические и др.
8. По принципу регулирования:
· по отклонению:
Подавляющее большинство систем построено по принципу обратной связи - регулирования по отклонению (см. рис. 1.7). 
Элемент называется сумматором. Его выходной сигнал равен сумме входных сигналов. Зачерненный сектор говорит о том, что данный входной сигнал надо брать с противоположным знаком.· по возмущению.
Данные системы могут быть использованы в том случае, если есть возможность измерения возмущающего воздействия (см. рис. 1.8). На схеме обозначен
К - усилитель с коэффициентом усиления К.· комбинированные - сочетают в себе особенности предыдущих АСР.
Данный способ (см. рис. 1.9) достигает высокого качества управления, однако его применение ограничено тем, что возмущающее воздействие f не всегда можно измерить.
 |
1.3. Классификация элементов автоматических систем.
1. По функциональному назначению:
· измерительные,
· усилительно-преобразовательные,
· исполнительные,
· корректирующие.
2. По виду энергии, используемой для работы:
· электрические,
· гидравлические,
· пневматические,
· механические,
· комбинированные.
3. По наличию или отсутствию вспомогательного источника энергии:
· активные (с источником энергии),
· пассивные (без источника).
4. По характеру математических соотношений:
· линейные
· нелинейные.
5. По поведению в статическом режиме:
· статические, у которых имеется однозначная зависимость между входным и выходным воздействиями (состояние статики). Примером является любой тепловой объект.
· астатические - у которых эта зависимость отсутствует. Пример: Зависимость угла поворота ротора электродвигателя от приложенного напряжения. При подаче напряжения угл поворота будет постоянно возрастать, поэтому однозначной зависимости у него нет.
2. Характеристики и модели элементов и систем.
2.1. Основные модели.
Работу системы регулирования можно описать словесно. Так, в п. 1.1 описана система регулирования температуры сушильного шкафа. Словесное описание помогает понять принцип действия системы, ее назначение, особенности функционирования и т.д. Однако, что самое главное, оно не дает количественных оценок качества регулирования, поэтому не пригодно для изучения характеристик систем и построения систем автоматизированного управления. Вместо него в ТАУ используются более точные математические методы описания свойств систем:
· статические характеристики,
· динамические характеристики,
· дифференциальные уравнения,
· передаточные функции,
· частотные характеристики.
В любой из этих моделей система может быть представлена в виде звена, имеющего входные воздействия Х, возмущения F и выходные воздействия Y
Под влиянием этих воздействий выходная величина может изменяться. При этом при поступлении на вход системы нового задания она должна обеспечить с заданной степенью точности новое значение регулируемой величины в установившемся режиме.Установившийся режим - это режим, при котором расхождение между истинным значением регулируемой величины и ее заданным значением будет постоянным во времени.
2.2. Статические характеристики.
Статической характеристикой элемента называется зависимость установившихся значений выходной величины от значения величины на входе системы, т.е.yуст = j(х).
Статическую характеристику (см. рис. 1.11) часто изображают графически в виде кривой у(х).
Статическим называется элемент, у которого при постоянном входном воздействии с течением времени устанавливается постоянная выходная величина. Например, при подаче на вход нагревателя различных значений напряжения он будет нагреваться до соответствующих этим напряжениям значений температуры.
Астатическим называется элемент, у которого при постоянном входном воздействии сигнал на выходе непрерывно растет с постоянной скоростью, ускорением и т.д.
Линейным статическим элементом называется безинерционный элемент, обладающий линейной статической характеристикой:
ууст = К*х + а0.
Как видно, статическая характеристика элемента в данном случае имеет вид прямой с коэффициентом наклона К.
Линейные статические характеристики, в отличие от нелинейных, более удобны для изучения благодаря своей простоте. Если модель объекта нелинейна, то обычно ее преобразуют к линейному виду путем линеаризации.
САУ называется статической, если при постоянном входном воздействии ошибка управления е стремится к постоянному значению, зависящему от величины воздействия.
САУ называется астатической, если при постоянном входном воздействии ошибка управления стремится к нулю вне зависимости от величины воздействия.
2.3. Динамические характеристики.
Переход системы от одного установившегося режима к другому при каких-либо входных воздействиях называется переходным процессом. Переходные процессы могут изображаться графически в виде кривой y(t).
Например, процесс нагрева сушильного шкафа до установившегося значения может иметь вид, представленный на рисунке 1.12.То есть, переходный процесс характеризует динамические свойства системы, ее поведение.
Поскольку входные воздействия могут изменяться во времени, то и переходные характеристики будут каждый раз разные. Для простоты анализа систем входные воздействия приводят к одному из типовых видов (см. рис. 1.13).
 |
В зависимости от вида входного воздействия функция у(t) может иметь разное обозначение:
Переходной характеристикой h(t) называется реакция объекта на единичное ступенчатое воздействие при нулевых начальных условиях, т.е. при х(0) = 0 и у(0) = 0.
Импульсной характеристикой w(t) называется реакция объекта на d-функцию при нулевых начальных условиях.
При подаче на вход объекта синусоидального сигнала на выходе, как правило, в установившемся режиме получается также синусоидальный сигнал, но с другой амплитудой и фазой: y = Aвых*sin(w*t + j), где Aвых - амплитуда, w - частота сигнала, j - фаза.
Частотной характеристикой (ЧХ, АФХ и др.) называется зависимость амплитуды и фазы выходного сигнала системы в установившемся режиме при приложении на входе гармонического воздействия.
2.4. Дифференциальные уравнения. Линеаризация.
Известно, что любое движение, процессы передачи, обмена, преобразования энергии и вещества математически можно описать в виде дифференциальных уравнений (ДУ). Любые процессы в АСР также принято описывать дифференциальными уравнениями, которые определяют сущность происходящих в системе процессов независимо от ее конструкции и т.д. Решив ДУ, можно найти характер изменения регулируемой переменной в переходных и установившихся режимах при различных воздействиях на систему.
Для упрощения задачи нахождения ДУ, описывающего работу АСР в целом, систему разбивают на ее отдельные элементы, переходные процессы в которых описываются достаточно простыми ДУ. Так как ДУ описывают работу системы независимо от физической сущности протекающих в ней процессов, то при разбивке системы нет необходимости учитывать их физическую целостность. Для каждого элемента структурной схемы необходимо составить ДУ, определяющее зависимость изменения выходной величины от входной.
Так как выходная величина предыдущего элемента является входной для последующего, то, определив ДУ отдельных элементов, можно найти ДУ системы.
Однако, такой метод применим только в частных случаях. Дело в том, что в большинстве случаев в реальных элементах системы связь между входной и выходной величинами является нелинейной и часто задается в графической форме. Поэтому, даже если ДУ системы и будет получено, оно будет нелинейным. А аналитическое решение нелинейных ДУ возможно далеко не всегда.
Для решения этой проблемы учитывают, что в процессе регулирования отклонения всех изменяющихся величин от их установившихся значений малы, и поэтому возможна замена нелинейных ДУ приближенными линейными ДУ, то есть возможна линеаризация дифференциальных уравнений.
Рассмотрим сущность процесса линеаризации на примере сушильного шкафа. Зависимость температуры объекта от подаваемого напряжения в большинстве случаев нелинейна и имеет вид, представленный на рисунке.
Графически линеаризацию некоторого уравнения от двух переменных F(х,у) = 0 в окрестности некоторой точки (х0, у0) можно представить как замену рассматриваемого участка кривой на касательную (см. рис. 1.14), уравнение которой определяется по формуле: