Общие принципы построения систем автоматики

1.2. Структура систем управления: простые и многомерные системы

В теории управления техническими системами часто бывает удобно систему разделить на набор звеньев, соединенных в сетевые структуры. В простейшем случае система содержит одно звено, на вход которого подается входной воздействие (вход), на входе получается отклик системы (выход).

В теории Управления Техническими Системам используют 2 основных способа представления звеньев систем управления:

— в переменных “вход-выход”;

— в переменных состояния (более подробно см. разделы 6…7).

Представление в переменных “вход-выход” обычно используется для описания относительно простых систем, имеющих один “вход” (одно управляющее воздействие) и один “выход” (одна регулируемая величина, см. рисунок 1.2.1).

Рис. 1.2.1 – Схематическое представление простой системы управления

Обычно такое описание используется для технически несложных САУ (систем автоматического управления).

В последнее время широкое распространение имеет представление в переменных состояния, особенно для технически сложных систем, в том числе и для многомерных САУ. На рис. 1.2.2 приведено схематичное представление многомерной системы автоматического управления, где u1(t)…um(t) — управляющие воздействия (вектор управления), y1(t)…yp(t) — регулируемые параметры САУ (вектор выхода).

Рис. 1.2.2 — Схематическое представление многомерной системы управленияя

Рассмотрим более детально структуру САУ, представленную в переменных “вход-выход” и имеющую один вход (входное или задающее, или управляющее воздействие) и один выход (выходное воздействие или управляемая (или регулируемая) переменная).

Предположим, что структурная схема такой САУ состоит из некоторого числа элементов (звеньев). Группируя звенья по функциональному принципу (что звенья делают), структурную схему САУ можно привести к следующему типовому виду:

Рис. 1.2.3 — Структурная схема системы автоматического управления

Символом ε(t) или переменной ε(t) обозначается рассогласование (ошибка) на выходе сравнивающего устройства, которое может “работать” в режиме как простых сравнительных арифметических операций (чаще всего вычитание, реже сложение), так и более сложных сравнительных операций (процедур).

Так как y1(t) = y(t)*k1, где k1 — коэффициент усиления, то ==> ε(t) = x(t) — y1(t) = x(t) — k1*y(t)

Задача системы управления состоит в том (если она устойчива), чтобы “работать” на уничтожение рассогласования (ошибки) ε(t), т.е. ==> ε(t) → 0.

Следует отметить, что на систему управления действуют как внешние воздействия (управляющее, возмущающее, помехи), так и внутренние помехи. Помеха отличается от воздействия стохастичностью (случайностью) своего существования, тогда как воздействие почти всегда детерминировано.

Для обозначения управляющего (задающего воздействие) будем использовать либо x(t), либо u(t).

Диспетчерский уровень

Высшая ступень в иерархии АСУ ТП. Это уровень централизованного управления техпроцессами изготовления конечной продукции. Здесь сосредоточены мощные аппаратно-технические ресурсы, анализирующие весь массив информации о функционировании предприятия. Компьютеры, входящие в состав диспетчерского уровня, располагают возможностями визуализации всех технологических процессов. Это позволяет в любой момент времени проверять качество работы автоматики и предотвращать аварийные ситуации, которые могут возникать из-за системных сбоев.

Кроме того, функция диспетчерских устройств заключается в проверке правильности работы контроллерного уровня и своевременном внесении изменений в программное обеспечение ЧПУ для сохранения стабильности параметров выпускаемых изделий.

1.3. Методы выбора периода квантования

В системах НЦУ ввод сигналов от датчиков и выдача управляющих воздействий на объект происходят в дискретные моменты времени, в паузах между которыми объект остается нерегулируемым и осуществляет принудительные движения под влиянием управляющих воздействий U и возмущений. Выбор Т в зависимости от спектра непрерывной функции выполняется на основе теоремы Котельникова, согласно которой функция y(t), не содержащая гармонических составляющих выше частоты , полностью определяется своими значениями в моменты времени nTo, отстоящими друг от другого на периоды

(1.2),

т.е. частота квантования должна быть выбрана согласно

. (1.3)

В этом случае дискретная функция y точно отобразит непрерывную y(t) и потерь информации при квантовании не будет. Для оценки периода квантования существует критерий Джури.

Критерий Джури расчёта периода квантования основан на оценке максимальной частоты в спектре исходного сигнала и определяется по амплитудно-частотной характеристике замкнутого контура НЦУ:

(1.4)

Из формулы (1.4) определяется о, причем величина погрешности минимальна, если рассогласование выбирается в пределах . Период квантования T определяется согласно (1.2), и принимается ближайшее меньшее значение.

Рассмотрим пример.

Частотная передаточная функция объекта регулирования имеет вид

где k = 0.7038; Т = 30с.

Определить оптимальный период квантования в системе с ПИ-регулятором НЦУ, параметры которого равны:

Кр = 1.22; Тр = 30с.

При этом необходимо обеспечить точность регулирования в постоянном режиме = 0,03.

Популярные статьи  Как работает стабилитрон

Согласно рассмотренному критерию Джури период квантования определяется таким образом. Определяем частотную передаточную функцию замкнутой системы

Общие принципы построения систем автоматики

,

откуда АЧХ определяется как

Общие принципы построения систем автоматики

Решая полученное уравнение, находим частоту Оптимальный период квантования согласно критерию Джури равен

.

Принимаем Т = 3с.

Согласно критерию обеспечения необходимой точности управления период квантования определяется из соотношения

(1.5)

где — характеристика, т.е. для определения периода квантования необходимо иметь информацию о возможных изменениях скоростей входной управляющей координаты объекта.

Для типичных звеньев систем автоматического регулирования значения B() — характеристики приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1 – Значения В – характеристики для типичных звеньев систем

Общие принципы построения систем автоматики

Рассмотрим следующий пример.

Определить оптимальный период квантования в системе НЦУ, если объект управления имеет передаточную функцию

в которой k = 1.2; T1 = 30с; T2 = 10c; t = 5c.

Задана абсолютная погрешность исходного сигнала объекта, которая возникает от квантования по времени

= 0.155.

Согласно табл. 1.1 выбираем передаточную функцию объекта

Так как на величину B —характеристики инерционность объекта не влияет, то максимальное её значение будет

.

Определим

Принимаем T = 5c.

Приведенные критерии выбора периода квантования не могут применяться для объектов управления, которые описываются дифференциальными уравнениями, с производными в правой части, или если в числителе передаточных функций имеется производная процесса. Рассмотрим критерий воспроизведения частотных составляющих в сигнале на выходе объекта, который имеет передаточную функцию

Передаточную функцию объекта путем подстановок приводят к виду

Приравнивая значение модуля к величине 1/ при , получим

.

Определяем из полученного выражения значение . Величина характеризует ослабление гармонической составляющей сигнала с частотой (на практике = 31). После решения уравнения находим

1.3. Основные законы управления

Если вернуться к последнему рисунку (структурная схема САУ на рис. 1.2.3), то необходимо “расшифровать” роль, которую играет усилительно-преобразующее устройство (какие функции оно выполняет).

Если усилительно-преобразующее устройство (УПУ) выполняет только усиление (или ослабление) сигнала рассогласования ε(t), а именно: , где – коэффициент пропорциональности (в частном случае = Const), то такой режим управления замкнутой САУ называется режимом пропорционального управления (П-управление).

Если УПУ выполняет формирование выходного сигнала ε1(t), пропорционального ошибке ε(t) и интегралу от ε(t), т.е. , то такой режим управления называется пропорционально-интегрирующим (ПИ-управление). ==> , где b – коэффициент пропорциональности (в частном случае b = Const).

Обычно ПИ-управление используется для повышения точности управления (регулирования).

Популярные статьи  Тиристорный электропривод

Если УПУ формирует выходной сигнал ε1(t), пропорциональный ошибке ε(t) и ее производной, то такой режим называется пропорционально-дифференцирующим (ПД-управление): ==>

Обычно использование ПД-управления повышает быстродействие САУ

Если УПУ формирует выходной сигнал ε1(t), пропорциональный ошибке ε(t), ее производной, и интегралу от ошибки ==> , то такой режим называетсято такой режим управления называется пропорционально-интегрально-дифференцирующим режимом управления (ПИД-управление).

ПИД-управление позволяет зачастую обеспечить “хорошую” точность управления при “хорошем” быстродействии

Полевой уровень

Полевой уровень АСУ ТП является самым нижним в иерархии. По англоязычной классификации это ступень «Input/Output», иначе говоря, уровень входов-выходов. Здесь располагаются следующие компоненты автоматических систем:

  • датчики;
  • измерители;
  • исполнительные механизмы (актюаторы);
  • аппаратура сопряжения.

Компоненты полевого уровня получают первичную информацию от каждого участка АСУ ТП и просто передают её на следующую ступень. Например, датчик перемещения сигнализирует о достижении резцом или фрезой конечного положения, поле чего актюаторный механизм перемещает револьверную головку с инструментом в заданное положение.

В последние годы для повышения эффективности автоматики некоторые простейшие элементы полевого уровня оснащаются некоторыми функциями предварительной обработки информации. За счёт этого устройства контроллерного уровня освобождаются от части нагрузки и затрачивают меньше ресурсов, что позитивно сказывается на функционировании АСУ ТП в целом.

Контроллерный уровень

В состав контроллерного уровня входят специализированные микрокомпьютеры, называемые программируемыми логическими контроллерами. Они следят за режимами работы технологического оборудования. Именно контроллерная ступень воспринимает сигналы от датчиков и управляет актюаторами полевого уровня. Контроллеры функционируют в соответствии с заложенной программой и исполняют команды, анализируя входную информацию и посылая по обратной связи управляющие сигналы исполнительным механизмам.

Именно этот уровень является основой ЧПУ, поскольку здесь осуществляется обработка информации, которая поступает от узлов станка, выполняющих металлообработку и обеспечивающих исправное состояние оборудования. От правильности работы контроллеров зависит качество выпускаемой продукции.

Оцените статью
Добавить комментарии

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: