logo
управление тех

Введение

Под автоматизацией в широком смысле понимается выполнение без участия человека тех или иных действий и операций, требующих использования интеллекта. Технический прогресс с древнейших времен до наших дней идет по линии освобождения человека от необходимости лично участвовать в выполнении операций, необходимых для функционирования существующей хозяйственной системы. Первым шагом является освобождение человека от мускульных усилий за счет использования силы животных. С древнейших времен человечество освоило перевозку людей и грузов с помощью прирученных лошадей, верблюдов, быков и т. д. Следующим этапом является механизация, заключающаяся в использовании иных источников энергии – силы движения воды, ветра, позднее – тепловой и электрической энергии. При этом за человеком сохраняются интеллектуальные функции – контроля и управления процессами, осуществляемыми механически. По мере развития техники параллельно с механизацией идет процесс освобождения человека от рутинных, повторяющихся интеллектуальных действий. Это и есть процесс автоматизации. Одним из древнейших примеров автоматического управляющего устройства является «потряс» – механизм, регулирующий подачу зерна к мельничным жерновам в зависимости от скорости вращения последних. Это устройство представляет собой граненый брус, на который опирается нижний конец наклонного лотка, по которому ссыпается зерно. Брус механически связан с приводом жерновов, так что при изменении скорости ветра изменяется и частота встряхиваний лотка. Соответственно изменяется скорость перемещения зерна по желобу. Этот пример показывает, что автоматизация, как правило, следует непосредственно за механизацией того или иного процесса.

Появление тепловых двигателей – паровых машин, турбин, а затем двигателей внутреннего сгорания – потребовало значительного расширения сферы применения систем автоматизации. Первым шагом было создание системы золотникового парораспределения паровых машин, которая не только позволила избавить от механической работы операторов, попеременно направлявших пар в ту или иную полость машины, но и значительно повысить частоту вращения таких машин. Кроме того, потребовалось устройство для регулирования уровня воды в котле, необходимое для безопасной работы машины. Таким устройством была снабжена уже паровая машина Ползунова (1765 г.). Несколько позже встал вопрос о необходимости автоматического регулирования скорости вращения вала машины. Для этой цели уже в 1784 г. был создан центробежный регулятор Уатта. К началу XIX века появился первый механизм с программным управлением – станок Жаккарда (1808 г.).

Дальнейшее повышение требований к точности управления машинами вызвало к жизни, с одной стороны, появление новых принципов управления скоростью (регулятор Сименса с управлением по производной управляемого параметра, регулятор Понселе, использовавший сигнал по нагрузке), с другой широкий круг работ по разработке теории автоматического управления. Всоздании основ этой теории принимали участие такие выдающиеся математики, как Максвелл, Чебышев, Вышнеградский, Жуковский.

Вторая половина ХХ века считается эпохой второй промышленной революции, связанной с широким и повсеместным использованием автоматики в самых разнообразных технологических процессах – управлении станками и целыми технологическими линиями. Сегодня станок или линия с числовым программным управлением, является уже повседневностью любого современного производства. Мало того, с развитием вычислительной техники появилась возможность автоматизировать такие традиционно «человеческие» виды деятельности, как расчетные работы, анализ и прогнозирование операций, выбор оптимальных или рациональных решений при большом объеме исходных зависимостей или при недостаточной информации и т.д.

При всем огромном многообразии автоматических устройств и систем, в их основе имеются некоторые общие принципы, без знания которых невозможно анализировать работу существующих систем автоматики или проектировать новые.

Целью изучаемого курса является знакомство с общими принципами, закладываемыми в схемы и устройства, применяемые в системах автоматизации и управления техническими системами различного назначения. Эти принципы более или менее однотипны для систем автоматизации самых разнообразных машин, агрегатов, технологических процессов. В то же время особое внимание уделено вопросам, связанным с функционированием систем автоматического управления двигателями внутреннего сгорания. Знания, приобретенные в данном курсе, необходимы для изучения таких дисциплин, как «Автоматизация управления установками с ДВС», «Системы и процессы топливоподачи ДВС», «Установки с ДВС».

  1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

В любом виде деятельности, в машинах, системах, технологических процессах, предназначенных для тех или иных видов деятельности, теория автоматического управления выделяет 2 вида операций: рабочие операции и операции управления. К первым относятся операции, непосредственно направленные на выполнение процессов, осуществляемых в данном устройстве или процессе. Для установки с двигателем внутреннего сгорания рабочими являются все операции, связанные с осуществлением рабочего процесса и выработки механической энергии. Операции управления обеспечивают своевременное начало и окончание отдельных рабочих операций, подвод необходимых ресурсов и отвод получаемой продукции или энергии, задают и поддерживают необходимые параметры процессов: скорости, температуры, давления, концентрации, плотности и пр. Применительно к установкам с двигателями к таким операциям относится управление последовательностью этапов (тактов) рабочего процесса, поддержание заданной частоты вращения, контроль и регулирование температур охлаждающих и смазывающих жидкостей, поддержание уровней в расходных емкостях и т.п.

Выполнение операций управления без участия человека называется автоматизацией. Устройства, выполняющие такие операции, называются автоматическими устройствами (регуляторами, контроллерами и т.п.). Та машина, система, процесс, по отношению к которой осуществляются операции управления, называется объектом управления или управляемым объектом (УО). Совокупность автоматических устройств и управляемого объекта образует систему автоматического управления.

Любой процесс количественно характеризуется некоторыми условиями протекания, которые именуют показателями, параметрами или координатами.

Операции управления по своему назначению и характеру делятся на 2 вида:

  1. Операции управления началом, окончанием отдельных этапов работы, переходом от одного этапа к другому и т.п. Эти операции осуществляются переключающими логическими устройствами. Это устройства дискретного действия, выполняющие определенные операции в заданный момент времени или при появлении соответствующего управляющего сигнала. К ним относятся элементы систем автоматизации пуска и остановки систем с двигателями, систем противоаварийной защиты и т.п.

  2. Операции по поддержанию заданных параметров и их изменению по определенной программе. Это устройства непрерывного управления, часто называемые регуляторами. К ним относятся регуляторы скорости, температуры, давления и т.п.

Теоретические основы, используемые при создании автоматических устройств, осуществляющих эти два вида операций, имеют существенные различия. В данном курсе основное внимание уделяется системам непрерывного автоматического управления.

  1. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ

Л

Рис.1

юбая система управления образуется совокупностью управляемого объекта и управляющих устройств. Состояние объекта характеризуется совокупностьюуправляемых параметров (рис. 1) φ1, φ2, …φn. На объект (а следовательно, и на управляемые параметры) влияют внешние возмущающие воздействия λ1, λ2, …λn. Для поддержания заданных значений управляемых параметров вводятся управляющие воздействия ξ1, ξ2, …ξn. Способ, на основе которого вырабатываются управляющие воздействия, называется алгоритмом управления, на основе которого строится система автоматического управления. При этом реализуется один из фундаментальных принципов управления.

  1. Разомкнутое (прямое) управление (рис. 2 а). При этом требуемое значение выходного параметра φ0 объекта управления 3 устанавливается задатчиком программы 1 и передается управляющему устройству 2, которое вырабатывает необходимое для этого управляющее воздействие ξ. Значение управляемого параметра φ при таком принципе управления не зависит от нагрузки λ.

2. Компенсационный принцип. Согласно этому принципу управления, нагрузка λ измеряется с помощью измерительного устройства 4 (рис. 2 б). На вход управляющего устройства 2 подается сигнал, равный сумме заданного значения φ0 и величины, пропорциональной нагрузке. При этом управляющее устройство 2 вырабатывает сигнал управления (управляющее воздействие) ξ, который должен компенсировать действие изменившейся нагрузки с таким расчетом, чтобы величина управляемого параметра φ осталась неизменной.

  1. Управление по отклонению (по сигналу обратной связи). При этом способе (рис. 2 в) измерительное устройство 4 подает на вход управляющего устройства 2 сигнал, пропорциональный отклонению управляемого параметра φ. Вырабатываемый устройством 2 управляющий сигнал, направленный на устранение отклонения, до тех пор, пока это отклонение существует.

Реализация первого принципа управления возможна лишь в том случае, когда точно известна связь между управляющим воздействием и выходным управляемым параметром. Примером может служить механизм газораспределения двигателя внутреннего сгорания, где управляющим воздействием является профиль кулачка, управляемым параметром – высота подъема клапана. Обычно устройства, реализующие такой принцип управления, входят в состав конструкции машины или системы и не рассматриваются в качестве средств автоматического управления.

Второй принцип, рассуждая теоретически, может обеспечить работу системы без отклонений выходного (управляемого) параметра, поскольку изменение параметра нагрузки вызовет мгновенное появление компенсирующего управляющего воздействия. Например, в системе, содержащей двигатель внутреннего сгорания, приводящий электрогенератор, сигналом нагрузки может являться ток в сети, питаемой генератором. Однако для точного поддержания управляемого параметра связь между управляющим воздействием и управляемым параметром должна быть однозначно известной. Так, в приведенном выше примере, воздействие на выходную мощность двигателя может оказаться недостаточным или излишним, что поведет к неконтролируемому изменению управляемого параметра – скорости вращения.

Третий принцип обеспечивает точное поддержание заданного значения управляемого параметра, поскольку любое отклонение вызывает появление управляющего воздействия, направленного на устранение этого отклонения. Недостаток этого принципа в том, что для достижения требуемого управляющего воздействия требуется достаточная величина отклонения управляемого параметра. Иначе говоря, система, реализующая такой принцип, всегда работает с запаздыванием. В результате переход от одного режима к другому происходит, как правило, в процессе колебаний, величина и длительность которых зависят от свойств системы.

Таким образом, два последних принципа управления обладают существенными недостатками, которые не устранимы, поскольку коренятся в существе самих принципов. В случае, если к системе автоматического управления предъявляются повышенные требования как с точки зрения точности поддержания заданного значения управляемого параметра, так и по динамическим свойствам (отклонению в ходе переходного процесса и его длительности), может быть использована комбинация обоих принципов. Тогда сигнал по нагрузке является упреждающим и формирует управляющее воздействие практически мгновенно, а часть системы, действующая по отклонению управляемого параметра, окончательно доводит управляющее воздействие до требуемого значения. Такой принцип используется в так называемых двухимпульсных регуляторах, которые, в частности, используются при регулировании частоты вращения двигателей, работающих в составе генераторных установок.

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ САУ

    1. Динамические звенья и структурные схемы

Для математического описания системы автоматического управления целесообразно представить ее в виде совокупности простых элементов, именуемых динамическими звеньями.

Динамическое звено – это элемент системы, имеющий только один входной параметр x(t) и один выходной y(t) (рис. 3) и характеризуемыйопределенной,однозначной и однонаправленной зависимостью между ними y(t) = f [x(t)].

Совокупность динамических звеньев, соответствующая действию САУ или ее части, называется структурной схемой.

Структурная схема строится в следующей последовательности:

  1. Строится конструктивная схема, показывающая основные элементы системы и взаимосвязи между ними (рис. 4 а).

  2. На основании конструктивной схемы изображается функциональная схема, на которой отдельные элементы системы и связи между ними представляются в упрощенном виде (рис. 4 б)

  3. Определяется вид зависимостей, описывающих отдельные элементы функциональной схемы; исходя из этого эти элементы заменяются динамическими звеньями. Следует иметь в виду, что в случае необходимости один функциональный элемент может быть представлен несколькими звеньями и, напротив, группа функциональных элементов может быть представлена одним звеном. С учетом взаимодействия между динамическими звеньями строится структурная схема (рис. 4 в)

Пример построения структурной схемы показан на рис. 4. На рис. 4 а показана конструктивная схема регулятора уровня. Управляемым объектом УО является ёмкость, в которую подводится и из которой отводится некоторый расход жидкости. Управляемым параметром φ является уровень жидкости, который должен оставаться постоянным вне зависимости от нагрузки. Параметром нагрузки λ является положение выходной заслонки. Измерительным устройством 1 является поплавок, связанный рычагом с золотником усилительного устройства (гидроусилителя) 2. При повышении уровня в ёмкости поплавок поднимает золотник, который открывает при этом подвод жидкости в верхнюю полость гидроусилителя 2. Давление жидкости перемещает вниз поршень, связанный с входной заслонкой, положение которой является управляющим воздействием ξ.

На рис. 4 б) показана функциональная схема той же системы, на которой отдельные функциональные элементы представлены в виде прямоугольников с теми же обозначениями, что и на предыдущем рисунке. Линиями показана последовательность связи между элементами.

На рисунке 4 в) функциональная схема преобразована в структурную. Поскольку, как будет показано далее, объект, показанный в данном примере, является одноемкостным и имеет единственный инерционный параметр – объем, его можно представить в виде одного звена 1. Измерительное и усилительное устройства представлены звеньями 2 и 3. Суммирующее звено на входе в объект показывает, что динамика системы будет зависеть от взаимного положения входной и выходной заслонки, то есть от суммы нагрузки и управляющего воздействия. Усилительное звено с коэффициентом –1 показывает, что управляющее воздействие направлено так, чтобы компенсировать отклонение управляемого параметра.

Дальнейший анализ сводится к математическому описанию отдельных звеньев, а затем структурной схемы в целом в соответствии с определенными правилами и зависимостями.

    1. Способы описания динамического звена.

Согласно определению, связь между входным и выходным параметрами динамического звена является однонаправленной и однозначной. Если эта связь для звена или цепочки звеньев описывается линейным дифференциальным уравнением, оно или она называются линейными.

Линейное динамическое звено может быть описано несколькими способами, между которыми имеются определенные зависимости, позволяющие переходить от одного способа к другому.

  1. Дифференциальное уравнение вида

(1.1)

2

. Переходная характеристика. Под переходной характеристикой понимается уравнение или график, показывающий изменение выходного сигнала при скачкообразном изменении входного. Переходная характеристика может быть получена в аналитическом виде, как решение дифференциального уравнени звена при начальном условииx(t)=0 при t=0 и x(t)=x при t≥0. Графическое представление переходной характеристики показано на рис.5. Графикпереходной функции может быть построен на основе аналитической зависимости или получен экспериментально. Второй вариант применяется, если по каким-либо причинам аналитическое выражение получить сложно. В отдельных случаях экспериментально полученный график позволяет, как будет показано ниже,

Рис. 5 приближенно дать аналитическое описание звена.

  1. Частотные характеристики. Под частотными характеристиками понимается изменение параметров выходного сигнала при гармоническом изменении входного. Как известно, если на вход линейной системы подается гармонический сигнал с амплитудой А и частотой ω

x = A sin (ωt) ,

y = a sin (ωt + υ)

то на выходе будет получено также гармоническое изменение выходного параметра с той же частотой ω, амплитудой а и фазовым сдвигом υ (Рис. 6):

З

ависимости относительной амплитудыа/А и фазового угла υ от угловой частоты называются соответственно амплитудо-частотной и фазо-частотной характеристиками (АЧХ и ФЧХ). Эти характеристики можно представить в логарифмической форме, что удобно, если требуется охватить большой диапазон частот. Тогда они называются логарифмическими. По оси абсцисс откладывается величина lg ω, измеряемая в декадах – одна декада соответствует изменению lg ω на единицу, а значения частоты соответственно в 10 раз. Около соответствующих делений оси ставятся величины частоты (а не логарифма). По оси ординат откладываются для ЛАЧХ значения L(ω) =20 lg(a/A), и единицей измерения является децибел (дБ), для ЛФЧХ – величина фазового угла. В упрощенном виде логарифмические характеристики могут быть представлены в асимптотическом виде, когда для построения используются прямые линии, соответствующие предельным значениям параметра для данного участка характеристики. Наконец, амплитудо-частотная и фазо-частотная характеристики могут быть объединены в амплитудо-фазо-частотную (АФЧХ). Характеристика строится на комплексной плоскости в координатах (u, iv). При этом относительная амплитуда, соответствующая заданной угловой частоте, изображается в види длины вектора, исходящего из начала координат, а угол поворота этого вектора определяется фазовым углом. Более детально построение частотных характеристик будет рассмотрено при изучении отдельных типов звеньев.

Частотные характеристики могут, как и переходные, строиться либо на основе аналитических зависимостей, либо по экспериментальным данным. В последнем случае они могут стать базой для определения типа звена и его характеристик, а для систем в определенных случаях служат для оценки устойчивости.