Структурные схемы автоматического контроля, регулирования и управления.

Раздел 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ (ТАР)

Тема 1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТАР

Основные понятия и определения ТАР

В настоящее время под термином «автоматизация» понимается применение и внедрение автоматических устройств, приводящих к освобождению человека от непосредственного участия в технологических процессах. Теоретическую и научную базу автоматизации составляет целая область знаний – автоматика. В современной автоматизации сложились достижения различных областей знания математики и электроники, физики и химии, кибернетики бионики. Влияние автоматизации распространяется даже на область психологии и философии.

По степени автоматизации производства различают частичную, комплексную и полную автоматизацию.

Частичная автоматизация – это автоматическое выполнение отдельных производственных операций, осуществляемое в тех случаях, когда определенные технологические процессы вследствие своей сложности и быстродействия невыполнимы для человека.

Комплексная автоматизация – это автоматическое выполнение всех основных производственных операций участка, цеха завода, электростанции и т. д. как единого взаимосвязанного комплекса. Функции человека здесь ограничиваются контролем и общим управлением.

Полная автоматизация – высшая ступень, при которой автоматизируются все основные и вспомогательные участки производства, включая систему управления и контроля. Управление и контроль автоматизируются с помощью вычислительных машин или специализированных автоматических устройств. Функции человека при полной автоматизации сводятся к наблюдению за работой оборудования и устранению возможных неисправностей.

В зависимости от выполняемых функций автоматизация классифицируется на следующие основные виды: управление, контроль, сигнализация, блокировки, защиты и регулирование.

Без автоматизации невозможно построение энергетических систем (в частности, атомных), современных химических и металлургических производств, пилотируемых, беспилотных и космических летательных аппаратов и др.

С экономической точки зрения автоматизация является одним из перспективных направлений развития всех отраслей науки и техники, так как она способствует повышению производительности труда, снижению материальных, энергетических и людских затрат, а следовательно, повышению эффективности любого производства.

В различных технологических и производственных процессах величины, характеризующие эти процессы, должны удовлетворять определенным условиям. Так, например, в энергосистемах должны поддерживаться на определенном уровне значения напряжения и частоты. В авиации, ракетной технике и космонавтике необходимо обеспечивать движение летательных аппаратов на заданной высоте, по заданным направлению(курсу) или траектории в пространстве. В производстве требуется обеспечивать работу отдельных станков, участков и цехов в автоматическом или автоматизированном режимах.

Создание условий, обеспечивающих требуемое протекание любого процесса, называется управлением.

Машина, аппарат, агрегат, комплекс машин или система, в которых протекает процесс, подлежащий управлению, называются объектами управления.

В данном учебнике рассматриваются основные принципы и методы построения автоматических и автоматизированных систем, приводятся основные способы повышения их устойчивости и качества, а также представлены типовые элементы, применяемые при построении автоматических систем: датчики, усилители, исполнительные элементы, устройства сравнения, логические элементы, образующие комплекс технических средств автоматики.

Автоматический контроль – автоматическое получение и обработка информации о значениях контролируемых параметров объекта с целью выявления необходимости управляющего воздействия.

Непрерывный контроль – это контроль, при котором контролируемые параметры постоянно сопоставляются с заданными величинами.

Дискретный контроль – это контроль, при котором сопоставление параметров осуществляется периодически. Контроль также классифицируется на местный и дистанционный.

Сигнализация – это преобразование информации о функционировании контролируемого объекта в условный сигнал, понятный дежурному и обслуживающему персоналу. Сигнализация обычно разделяется на технологическую и аварийную.

Блокировка – это фиксация механизмов, устройств в определённом состоянии в процессе их работ. Она позволяет сохранить механизм устройства в фиксированном положении после получения внешнего воздействия, что повышает безопасность обслуживания, надежность работы оборудования, обеспечивает требуемую последовательность включения механизмов, устройств, а также ограничивает перемещение механизмов в пределах рабочей зоны.

Автоматическая защита – это совокупность методов и средств прекращающих процесс при возникновении отклонений за допустимые значения контролируемых параметров.

Автоматическое регулирование – это автоматическое обеспечение заданных значений параметров, определяющих требуемое протекание управляемого процесса в соответствии с установленной программой. Совокупность объекта регулирования и автоматического регулятора называют системой автоматического регулирования (САР).

В САР различают прямую и обратную связь. Прямая связь – это воздействие каждого предыдущего элемента регулятора на последующий. Обратная связь – это воздействие одного из последующих элементов регулятора на предыдущий. Обратная связь бывает положительная, когда направление её воздействия совпадает с направлением воздействия предыдущего элемента на последующий и отрицательная - в противоположном случае.

Управление – совокупность действий направленных на поддержание функционирования объекта в соответствии с заданной программой, выполняемых на основе определенной информации о значениях параметров управляемого процесса.

Теория автоматического управления (ТАУ) — это совокупность методов и специального математического аппарата, позволяющая спроектировать работоспособную промышленную систему автоматического управления (САУ), отвечающую заданным требованиям по качеству ее работы.

Система автоматического управления (САУ) — это совокупность технических средств для управления регулируемым параметром, в которой вычислительные и логические операции осуществляются с помощью специальных технических устройств:

- автоматического регулятора;

- программируемого контроллера;

- управляющей вычислительной машины (УВМ).

Основной частью (узлом, элементом) САУ является объект управления.

Объект управления — это техническая установка или технологическая цепь установок, физико-химические процессы в которых управляются (регулируются) с помощью специальных технических средств.

Технологические параметры — это физико-химические величины, характеризующие состояние технологического процесса в объекте управления (например, температура, давление, скорость вращения и др.).

Регулируемый параметр — это технологический параметр, значением которого управляют с помощью специальных технических средств. Число регулируемых параметров, как правило, значительно меньше общего числа технологических параметров.

Система ручного регулирования (СРР) — это совокупность технических средств для управления регулируемым параметром, в которой вычислительные и логические операции осуществляются человеком-оператором. Принято считать, что такая система замкнута на человека, или в техническом смысле разомкнута.

Под воздействиями в ТАУ понимают факторы, изменяющие течение технологического процесса в объекте управления. Различают возмущающие и управляющие воздействия.

Возмущающие воздействия носят случайный, трудно предсказуемый характер. Например, изменение температуры наружного воздуха, колебания напряжения в электросети и др.

Управляющие воздействия на объект управления организуются техническим устройством (в САУ) или человеком-оператором (в СРР) в целях компенсации влияния возмущающих воздействий.

Под сигналами в ТАУ понимают совокупность потоков энергии или вещества, поступающих в объект управления или выходящих из него, возмущающие и управляющие воздействия, а также регулируемые параметры.

По направлению различают входные и выходные сигналы объекта управления. Так, возмущающие и управляющие воздействия будут входными сигналами для объекта управления; регулируемый же параметр в ТАУ всегда принимают за выходной сигнал объекта управления, даже если он физически никуда за пределы объекта не выходит (например, температуру в реакторе АЭС, уровень вещества в бункере, напряжение на обмотках электродвигателя и др.).

 

Структурные схемы автоматического контроля, регулирования и управления.

Система автоматического контроля рис. 1.1.

Рис. 1.1. Система автоматического контроля

 

Контролируемая величина с контролируемого устройства (КУ) поступает на датчик (Д), в котором осуществляется преобразование контролируемой величины в форму, удобную для измерения. С датчика (Д) сигнал поступает в сравнивающее устройство (СУ), в котором происходит сравнивание сигнала контролируемой величины с эталонным сигналом, поступающим на (СУ) с датчика (Д1) задающего устройства. Полученный результат сравнения поступает на регистрирующее устройство (РУ), которое в зависимости от требований записывает значения контролируемой величины, отображает её или сигнализирует об определенном её состоянии.

Если передаваемое воздействие зависит только от значения регулируемого параметра, т.е. не зависит от времени, то такую связь считают жесткой. Жесткая обратная связь действует как в установившемся, так и в переходном режимах. Гибкой обратной связью называют связь, действующую только в переходном режиме. Гибкая обратная связь характеризуется передачей по ней на вход первой или второй производной от изменения управляемой величиной по времени. У гибкой обратной связи сигнал на выходе существует только тогда, когда управляемая величина изменяется во времени.

Система автоматического регулирования рис. 1.2.

Рис. 1.2. Система автоматического регулирования

 

Датчик (Д₁) задающего устройства вырабатывает входную величину (сигнал) x(t). Выходная величина (сигнал) y(t) поступает на датчик (Д₂), где преобразуется в форму, удобную для дальнейшей обработки (например в электрическое напряжение). Входная и выходная величины поступают на сравнивающее устройство (СУ 1), на выходе которого образуется сигнал рассогласования (ошибки) z(t), равный разности между входной и выходной величинами, т.е. z(t) = x(t) – y(t). В управляющем устройстве (УУ) сигнал ошибки усиливается, проходит обработку и поступает на исполнительное устройство (ИУ), где преобразовывается в управляющее воздействие, действующее на объект регулирования (ОР). Для обеспечения требуемых качественных показателей работы системы применяют корректирующие устройства (КУ), которые могут быть включены параллельно или последовательно.

Система автоматического управления рис. 1.3.

Рис. 1.3. Система автоматического управления

 

Теория автоматического управления отвечает на вопрос: «Как нужно управлять, чтобы добиться нужного результата?». Исходя из этого, в управлении всегда присутствуют объект и субъект управления. Субъект управления чаще всего представляет собой регулятор или управляющее устройство.

В основу работы регуляторов заложены различные принципы [1]. Как пример можно привести механический регулятор Уатта, предназначенный для изменения частоты вращения паровой турбины.

С ростом частоты вращения шарики регулятора начинают расходиться из-за увеличения центробежной силы. Как следствие прикрывается заслонка и уменьшается количество пара, поступающего на турбину.

Регуляторы присутствуют повсеместно не только в промышленности, но и в быту. Например, термостат в холодильнике или утюге.

В настоящее время в системах управления роль регулятора выполняют компьютеры или микропроцессорные устройства. Такие регуляторы используются в управлении полетами самолетов и космических кораблей без участия человека.

Воздействуют регуляторы на объект управления через исполнительные механизмы, в которых может изменяться сигнал управления (электрический сигнал преобразуется в перемещение клапана, задвижки и т.д.).

Для того, чтобы оценить качество регулирования, необходима обратная связь, т. е. регулятор должен получать информацию о состоянии объекта. Для этого в системах управления предусмотрены датчики, измеряющие те параметры объекта, которые необходимо регулировать. Все элементы систем автоматического управления соединены каналами связи для обмена информацией между ними. Каналы связи могут быть электрические, пневматические, гидравлические, а также их роль могут выполнять компьютерные сети.

Исходя из всего вышесказанного, можно сделать вывод, что система – это набор элементов, объединенных каналами связи, которая приобретает особые свойства по сравнению с отдельными элементами и в любой их комбинации.

Любой объект управления не может существовать отдельно от окружающей его среды, вследствие чего на систему оказывают влияние внешние возмущения, которые влияют на результат регулирования.

Большинство возмущений нельзя измерить или управлять ими.

В общем виде структурная схема системы управления показана на рис. 1.4

Рис. 1.4. Структурная схема системы автоматического управления

 

Известно два принципа управления: принцип управления по отклонению и принцип управления по возмущению [2].

В случае управления по отклонению регулирование объекта происходит на основании отклонения регулируемой величины от заданного значения, невзирая на причины, вызвавшие эти отклонения. Такие системы управления относятся к замкнутым системам. На рис. 1.5 приведена структурная схема системы управления по отклонению.

Рис. 1.5. Структурная схема замкнутой системы

 

В случае управления по возмущению результат регулирования зависит от величины возмущения. Такие системы называются разомкнутыми, их структурная схема представлена на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Структурная схема разомкнутой системы

 

Применение системы управления по возмущению возможно только в том случае, если эти возмущения можно измерять.

Тем не менее, в разомкнутых системах компенсация всех возможных возмущений, влияющих на объект управления, практически не реализуема, т. к. многие из них нельзя измерить. На отклонение регулируемого параметра от заданного часто оказывает влияние большое количество различных возмущений (такими возмущениями могут быть изменения атмосферных условий), которые нельзя стабилизировать.

В замкнутых системах управления такой недостаток отсутствует, т. к. управление зависит от отклонения регулируемой величины без связи с причинами, его вызвавшими. Но все же в таких системах трудно добиться необходимой точности регулирования и высокого быстродействия.

 

Рис. 7. Структурная схема системы управления с обратной связью и компенсацией возмущений

В связи с этим самыми эффективными считаются комбинированные системы регулирования, в которых реализованы сразу два принципа управления. Особенностью таких систем является то, что в состав таких систем входит несколько управляющих устройств. Часть возмущений, которые можно измерить, компенсируются одним управляющим устройством, а отклонение регулируемой величины – другим (рис. 1.7).

 

Известно большое количество классификаций систем управления, одна из которых показана на рис. 1.8.