Элементы и устройства локальных систем

Объект управления – процесс, нуждающийся в управлении.

Примеры:

– уровень жидкости в резервуаре;

– температура в промышленной печи;

– давление пара в барабане котла;

– угловая скорость вращения или число оборотов вала электрического двигателя, двигателя внутреннего сгорания, паровой турбины;

– скорость движения технологического стола, робокара, цепного конвейера;

– курс движения, тангаж, крен самолета;

– сопровождение самолета по угловым координатам.

Несмотря на разнообразие и сложность процессов, их динамические свойства могут быть описаны каким-нибудь достаточно простым звеном, имеющим два входа (для регулирующего воздействия  и возмущения ) и один выход (для управляемой величины ).

Исполнительное устройство – функциональная часть локальной системы, осуществляющая перемещение регулирующего органа объекта управления с целью воздействия на приток или расход в объекте вещества или энергии.

В общем случае исполнительное устройство состоит из совокупности элементов: исполнительного двигателя; силового редуктора, расположенного между двигателем и регулирующим органом; выходных каскадов управляемого силового преобразователя на полупроводниковых ключах.

Регулирующими органами могут быть различного рода дроссельные заслонки, клапаны, задвижки, шиберы, дозирующие рейки и т.п. Характер движения регулирующего органа определяется статическими и динамическими характеристиками исполнительного механизма. Необходимо использовать наиболее совершенные механизмы.

Пример. В рекуперативном теплообменнике типа «труба в трубе» горячий и холодный носители движутся в разных каналах, в стенке между которыми происходит теплообмен. Объектом управления является процесс тепломассопереноса, управляемой величиной y (t) - температура подогретого носителя на выходе теплообменника, а регулирующим воздействием r (t) - расход горячего носителя, имеющего постоянную температуру.

При неизменных условиях параметры теплоносителей остаются неизменными. Однако в том случае когда расход подогретого носителя меняется, а его температура должна оставаться неизменной, необходимо регулировать расход горячего теплоносителя, например, с помощью клапана, кинематически связанного с электрическим двигателем исполнительного устройства.

Датчик управляемой переменной – измерительное устройство, преобразующее управляемую физическую величину, например уровень, давление, расход, температура, перемещение, в электрический сигнал обратной связи для организации управления.

Задающее устройство служит для установления необходимого значения управляемой величины или закона ее изменения. Задающими устройствами могут быть потенциометры, сельсины, вращающие трансформаторы (задатчики угла поворота), резисторы, калибровочные сопротивления (задатчики температуры, давления, уровня и т.д.).

В системах программного управления источником задающего воздействия  является программа (математический образ желаемого изменения управляемой величины).

Для систем сопровождения источником задающего воздействия служит движущийся в пространстве объект (самолет, искусственный спутник Земли, космический аппарат, небесное тело).

Сигналы задающего устройства и датчика управляемой переменной должны иметь однотипную форму, например аналоговую, цифровую или кодированную цифровую.

Элемент сравнения – техническое устройство, например компаратор или специально создаваемая схема соединения задающего устройства и датчика управляемой величины, дающая возможность сличения друг с другом однородных значений задающего воздействия и управляемой величины. Например для измерения углового рассогласования широко применяются схемы на двух поворотных потенциометрах, сельсинах и вращающихся трансформаторах.

Преобразующее устройство – обобщенное понятие, охватывающее технические средства, специально предназначенные для усиления сигнала рассогласования, для преобразования одной аналоговой величины (например на переменном токе) в другую аналоговую величину (например на постоянном токе), для фильтрации высокочастотных составляющих сигнала рассогласования и подавления помех и т.п. Выходной сигнал преобразующего устройства обозначают символом u _e (t).

Сочетание задающего устройства, датчика управляемой переменной, элемента (схемы) сравнения и преобразующего устройства называют измерительным устройством.

Регулятор в соответствии с законом (алгоритмом) управления преобразует информацию об отклонении , содержащуюся в принятом сигнале u _e (t), в управляющий сигнал u (t).

В регуляторе могут осуществляться операции: интегрирования (учета поведения системы в «прошлом»); дифференцирования (учета поведения в «будущем»); усиления, суммирования и другие, необходимые для получения закона управления. В простейших системах регулятор может быть просто усилителем.

Воздействия

Задающее воздействие  определяет закон изменения управляемой величины . В общем случае воздействие может быть заданной или произвольной функцией непрерывного времени t. При исследовании качества систем принято рассматривать несколько типичных воздействий в виде следующих функций: единичной скачкообразной, импульсной, синусоидальной, меняющейся с постоянной скоростью, меняющейся с постоянным ускорением.

Возмущающее воздействие  на объект управления возникает при выполнении рабочего процесса и зависит от различных внешних факторов. К основным факторам относятся силы резания при механообработке, силы тяжести переносимых грузов, силы трения в кинематических парах, силы аэродинамического сопротивления, изменение расхода теплоносителя, электроэнергии и т.п.

Возмущение  нарушает функциональную связь между управляющим воздействием  и управляемой величиной .

Примечание. В самых разных частях локальной системы могут действовать и другие возмущения, которые вызывают искажения сигналов и, как следствие, негативно влияют на работу системы. Например, в замкнутой системе квантование сигналов по уровню может вызвать появление установившейся ошибки и незатухающих колебаний. На вход радиолокационной следящей системы наряду с полезным сигналом поступает сигнал помехи от посторонних самолетов, облачности, дождя и т.д.

 

Качество локальных систем

Качество локальных систем оценивают либо во временной области по существенным признакам переходных функций, либо в частотной области по частотным характеристикам, отличительные особенности которых позволяют предсказать, какими будут переходные функции.

Показатели качества во временной области (рисунок 1.4):

- перерегулирование  %.

- время регулирования  (отрезок времени от начала переходной функции до момента, когда величина  становится меньше допустимой величины

- число колебаний m (число максимумов переходного процесса за время регулирования);

- степень затухания переходной функции

- декремент затухания  (коэффициент в показатели степени экспоненты, описывающей огибающую затухающих колебаний; типовое значение d = 1/4 и менее);

- время нарастания t _н (интервал времени, в течение которого переходный процесс нарастает от 0,1 до 0,9 своего установившегося значения. Характеризует быстроту реакции локальной системы на изменение внешнего воздействия).

Рисунок 1.4

 

Требования к качеству локальной системы в каждом конкретном случае определяются особенностями управляемого процесса. В одних случаях ограничивается динамическая ошибка , в других время регулирования t _p или число колебаний m. По технологическому регламенту может быть ограничена величина  значением ± 0,02 или ± 0,01, степень затухания 0,75 – 0,85.

Показатели качества в частотной области:

- показатель колебательности М – отношение максимального пика амплитудной частотной характеристики  замкнутой системы к ее начальной ординате при (рисунок 1.5); характеризует удаленность системы от колебательной границы устойчивости. По техническим требованиям величина М выбирается в пределах М = 1,2…1,6; реже принимают М = 1,1…1,3.

Значения М выше 1,7 ведет к резкому возрастанию колебательности системы и длительному затуханию переходных процессов;

-   полоса пропускания – диапазон частот от нуля до , в пределах которой снижается не более чем на 0,707 раз относительно значения на нулевой частоте; указывает сколь быстрым будет переходной процесс. С расширением полосы время переходного процесса уменьшается.

 

Рисунок 1.5

 

Вопросы для проверки усвоения материала

 

1 Каково назначение локальных систем в технических системах с автоматическим управлением?

2 Приведите определения регулируемой или управляемой переменной, возмущающего и задающего воздействий.

3 Перечислите основные функциональные элементы локальных систем и поясните их назначение.

4 В чем состоит качественное различие между одноканальной и многоканальной системами?

5 Назовите основные показатели качества локальных систем, сформулируйте требования, предъявляемые к качеству управления.

2  Датчики, измерительные и преобразующие
устройства

Из всего многообразия существующих типов датчиков в локальных системах наибольшее распространение получили потенциометрические, индукционные и фотоэлектрические датчики, осуществляющие преобразование механической величины (угла поворота) в электрический сигнал.

В разделе рассмотрены некоторые схемы датчиков этого типа, схемы измерительных и преобразующих устройств. Приведены сведения, необходимые для решения задач их выбора и расчета основных параметров. При этом необходимо помнить, что термин датчик является общим и в конкретных измерительных устройствах имеет другое название. Например в устройствах измерения рассогласования, представляющего собой соединение двух измерительных средств, термин датчик наиболее полно соответствует функции задающего устройства, а термину датчик управляемой величины – название приемник. Необходимо так же знать, что угловые величины принято обозначать буквами греческого алфавита. Поэтому обозначение q (t) необходимо заменить на , y (t) – на , e (t) – на δ(t), U_e (t) – на U _δ(t) или