Главная »  Теория управления 

1 2 3 4 5 ... 31

Управляющее входное воздействие Хвх прикладывается к управляющему элементу УЭ, выходная величина которого сравнивается с выходной величиной главной обратной связи дго.с. Результирующее воздействие корректируется в последовательном корректирующем устройстве КУ и после сравнения с величиной л;ад.о.с - сигналом местной обратной связи - усиливается в усилительном устройстве У. Далее управляющее воздействие с помощью исполнительного элемента ИЭ передается на объект управления ОУ. Функции главной обратной связи ГОС были описаны выше.

Местная обратная связь МОС выполняет функции, аналогичные функциям ГОС, но эта связь охватывает не всю систему, а лишь часть ее, передавая изменения выходной величины некоторого промежуточного элемента системы на вход другого, предшествующего элемента. Если ГОС может быть только отрицательной, то МОС может быть как отрицательной, так и положительной: знак местной обратной связи и требуемый характер изменения величины -м.о.с определяются в процессе анализа системы. Местную обрат-связь называют также параллельным корректирующим устройством в тех случаях, когда она формируется по результатам динамического анализа системы, а не является функциональной частью самой системы.

Функциональные элементы конкретной системы управления конструктивно представляют собой различные механические, электрические, гидравлические, пневматические, электронные и другие устройства. При этом один и тот же функциональный элемент может включать в себя несколько конструктивных элементов и, наоборот, несколько функциональных элементов могут быть связаны в один конструктивный узел.

В качестве управляющих или задающих элементов используются, например, источники эталонного напряжения, эталонные сопротивления и т. п., воздействуя на которые можно устанавливать заданные значения переменных.

Главная обратная связь обычно включает в себя несколько . конструктивных элементов, среди которых наиболее типовыми являются преобразователи-датчики, предназначенные для преобразования одной физической величины в другую, более удобную для контроля, измерения и дальнейшего использования в качестве управляющего сигнала. Преобразователями могут служить трансформаторы, выпрямители, инверторы, индуктивные элементы, датчики температуры, давления, частоты вращения (например, тахо-генераторы) и др.

Последовательные и параллельные корректирующие устройства обеспечивают требуемые законы управления в системе. Эти устройства обычно вводятся в рабочую систему дополнительно по результатам анализа ее динамических свойств. Часто в качестве корректирующих устройств используются конструктивные элементы основной системы с изменением некоторых их параметров (сопротивлений, индуктивностей, емкостей и т. п.).

Усилительные устройства предназначены для усиления управ-. ляющих воздействий, которые чаще всего маломощны и не могут



непосредственно использоваться для целей управления. В качестве усилителей в системах используются электронные, электромашинные, магнитные, гидравлические и другие усилители.

Исполнительные элементы предназначены для приведения в движение регулирующих органов объекта управления, от положения которых зависят значения управляемых величин системы. В качестве исполнительных элементов широко используются, например, электродвигатели различных типов: двигатели постоянного тока, двухфазные и трехфазные асинхронные машины и др.

Помимо ручного и автоматического управления широко используется автоматизированное управление. На современном этапе развития теории управления под автоматизированным понимается управление объектом в системе с разомкнутой обратной связью с участием человека (людей), анализирующего состояние объекта с помощью электронно-вычислительных машин. Системы, реализующие такое управление, называются автоматизированными системами управления (АСУ). При этом, если объект управления относится к типу технических, то системы управления, построенные по указанному принципу, называются автоматизированными системами управления технологическими процессами. Если объект управления является объектом производственно-экономического или социального характера, то система управления им относится к автоматизированным системам организационного управления (АСОУ).

В последние годы все более широко внедряется интегрированное управление, реализуемое интегрированными автоматизированными системами управления (ИАСУ). В ИАСУ объектами управления являются технические, производственно-экономические, организационные и социальные системы. Так же, как и АСУ, ИАСУ создаются и функционируют на основе ЭВМ и экономико-математических методов, которые используются для управления техническими объектами, технологическими процессами, для планирования, контроля, анализа и регулирования производства в целом.

Общая схема процесса управления в АСУ и ИАСУ представлена на рис. 1.4. В этой схеме управляемому объекту (процессу, системе) задается определенное состояние .Х'вых^- например требуемые параметры технологии, сроки и объемы выпуска продукции и т. п. Под влиянием внешней среды, в состав которой входят и вышестоящие органы управления, а также под влиянием процессов, проис-

Анализ регулыпатов

обработки тирормоции и принятие

решений

Внешняя среда

Реализация решений г

! , обработка

информации

Информация о внешней среде

объект (npoi

jpOi

(процесс) травления

Информация об объекте

Рис. 1.4. Схема автоматизированного управления



ходящих внутри управляемой системы (износ оборудования, изменение квалификации персонала, морально-психологического климата и т. п.), объекты управления выходят из заданного состояния. Информация о состоянии внешней среды и о состоянии управляемой системы собирается, обрабатывается с помощью ЭВМ и анализируется с использованием экономико-математических моделей, размещенных в запоминающих устройствах ЭВМ. В результате анализа формируются управляющие воздействия, которые реализуются с помощью системы организационно-технических мероприятий.

При автоматизированном управлении техническими объектами и технологическими процессами сбор информации о состояниях объекта (процесса) и среды осуществляется с помощью датчиков и автоматической системы передачи информации от места ее возникновения к ЭВМ; При управлении производственно-экономическими и организационными системами сбор и передача информации :ч-.у1дествляются как с использованием датчиков, так и специально гог'гаваемой системой сбора, регистрации и передачи производст-...чно-экономической информации.

Сопоставляя рис. 1.4 и 1.2, можно заметить, что автоматизированное управление выполняется по разомкнутому циклу и с участием людей (операторов). Решение о выборе характера управляющего воздействия при автоматизированном управлении так же, как и при ручном, принимает человек (лицо, принимающее решение,- ЛПР). Однако, в отличие от ручного управления, автоматизированное управление формируется на базе ЭВМ и экономико-математических методов - аппарата, необходимого для анализа сложных систем.

Таким образом, автоматизированное управление можно определить как управление с разомкнутой обратной связью, в контуре которой используются ЭВМ и ЛПР.

Систему автоматизированного проектирования (САПР) можно определить как интегрированную автоматизированную систему управления, объектом управления которой является процесс выбора проектно-конструкторских решений на основе экономико-математических моделей изделий, конструкций, архитектурно-планировочных вариантов и т. п.

На схеме (рис. 1.5) представлены виды управления и типы систем, реализующих соответствующие виды управления. Следует от-

Теория управяатя

Автоматическое управление

Автоматизированное управление

Системы аВтоматичевкого утаШния (САУ)

Системы aBmoiamuwcKoeo регумроВания (САР)

АСУ

АСУГЛ



метить, что автоматическое и автоматизированное управление базируется на общих принципах и методах. Однако автоматизированное управление осуществляется в сложных (больщих) системах, элементы которых значительно труднее описывать формализованно, чем элементы автоматических систем. Более того, объекты и процессы сложных систем зачастую вообще не могут быть описаны математически. Это потребовало более глубокой разработки методов и средств управления, реализуемого автоматизированными системами, а также создания ряда специфических методов анализа и синтеза сложных систем управления.

1.2. ПРИМЕРЫ ЭЛЕМЕНТОВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Выбирая в качестве примеров те или иные элементы и системы управления, будем исходить из того, насколько хорошо выбранные примеры позволяют иллюстрировать основные определения и понятия теории управления. С этих позиций наиболее удобными являются различные электромеханические устройства и системы, которые, не требуя специальных технических знаний, позволяют хорошо проследить процессы управления, его принципы и законы, режимы работы систем управления. В качестве первого простого примера объекта управления возьмем генератор постоянного тока независимого возбуждения (рис. 1.6,а), принцип действия которого хорошо известен из курса физики средней школы.

Пусть требуется управлять (регулировать) напряжением (ЭДС) генератора и, т. е. л:вых= - Как известно, напряжение генератора зависит от частоты вращения его вала со, т. е. от частоты вращения приводного двигателя (ПД) и от тока 1в в обмотке возбуждения ОВГ. Регулирование напряжения изменением частоты вращения со, как правило, не применяется по технико-экономическим соображениям, но регулирование напряжения изменением тока возбуждения применяется широко, являясь в большинстве случаев единственным способом. Следовательно, Хцх~1в-

В качестве второго примера объекта управления возьмем электродвигатель постоянного тока независимого возбуждения (рис. 1.6,6). Пусть требуется управлять частотой вращения со вала двигателя. Не останавливаясь на всех возможных способах регулирования частоты вращения вала электродвигателя, отметим один



Рис. 1.6. Объекты управления:

а - электрический генератор постоянного тока; б - электрический двигатель постоянного тока независимого возбуждения




Рис. 1.7. Системы управления частотой вращения электродвигателя постоянного

а - разомкнутая; б - замкнутая

ИЗ НИХ - регулирование частоты вращения путем изменения напряжения, подводимого к якорю, т. е. величины и. Следовательно, в рассматриваемом случае имеем Хвх=и; Хвых=( -Г Как пример системы управления рассмотрим электромашинную схему управления частотой вращения двигателя постоянного тока (рис. 1.7). Предварительно рассмотрим процессы управления по разомкнутому циклу (рис. 1.7,а).

Объектом управления в схеме является электродвигатель постоянного тока Д с обмоткой независимого возбуждения двигателя ОВД. Электродвигатель приводит во вращение вал рабочей машины РМ, совершающей определенную рабочую операцию, например, передвижение строительного крана, рабочего органа землеройной машины и т. п. С валом электродвигателя жестко связан тахогенератор ТГ. Напряжение тахогенератора тг, пропорциональное частоте вращения электродвигателя, измеряется вольтметром, отградуированным в единицах частоты вращения со. Электродвигатель Д подключен к генератору постоянного тока Г, вращаемо му приводным двигателем ПД. Обмотка возбуждения генератора ОВГ через потенциометр R включена на источник постоянного напряжения. Перемещая ползунок п реостата и контролируя частоту вращения вала двигателя Д по показаниям измерителя И, / можно управлять частотой воашения со по заданному закону. /



Очевидно, о для управления частотой вращения электродвигателя в рассматриваемой системе необходимо участие оператора, т. е. здесь имеет место ручное управление. Так как в рассмотренной системе изменение выходной величины ю непосредственно (без участия оператора) не преобразуется в управляющее воздействие на входе системы, то автоматическое управление в ней невозможно. При одном и том же положении регулирующего органа (ползунка и), но при разных значениях возмущающих воздействий на объект управления будут разными значения управляемой (регулируемой) величины - в данном случае частоты вращения ю вала дв1гателя Д.

Преобразуем разомкнутую систему управления (рис. 1.7,а) в замкнутую (рис. 1.7,6). С этой целью напряжение с выхода тахо-генератора подадим на вход системы управления, обеспечив выполнение условия

Wo. в. г = lnm - тг, (-3)

где Ыо.в.г-напряжение на обмотке возбуждения генератора; ит- напряжение, снимаемое с потенциометра. 1

В преобразованной таким образом системе изменения регулируемой величины - частоты вращения вала электродвигателя - автоматически передаются на вход и вместе с задающим напряжением Ujim формируют управляющее воздействие Ыо.в.г. Выполнение условия (1.3) обеспечивает образование в системе главной отрицательной обратной связи и возможность автоматического регулирования выходной величины - частоты вращения со.

Действительно, при увеличении нагрузки на валу электродвигателя частота вращения его уменьшается. Это вызывает уменьшение напряжения тахогенератора ut и увеличение напряжения О.В.Г в соответствии с выражением (1.3). Возрастание величины о.в.г приведет к возрастанию напряжения Ыг генератора, подводимого к якорю электродвигателя, что повлечет за собой восстановление значения частоты вращения вала электродвигателя.

Рассуждая аналогично, можно убедиться в том, что увеличение частоты вращения, вызванное уменьшением нагрузки на валу двигателя, также повлечет ее автоматическое восстановление до исходного значения. Следовательно, процесс стабилизации частоты вращения осуществляется автоматически, без участия оператора.

В рассматриваемой схеме обратная связь образована электрическим соединением тахогенератора с потенциометром и обмоткой возбуждения генератора. Используя определения, понятия и терминологию, введенные в предыдущем параграфе, по аналогии с рис. 1.2,6, в замкнутой системе (рис. 1.7,6) имеем: Хвх == Чпт = 3 - задающее воздействие; л^о.с = тг - сигнал обратной связи;

Хр - о.Е.г -регулирующее воздействие, прикладываемое к регулятору;

л^о.у = Иг - управляющее воздействие, прикладываемое к

объекту управления;



= СО -выходная, или регулируемая (управляемая), ве-

личина.

Основной составляющей возмущающего воздействия на Замкнутую систему является нагрузка на валу рабочей машины, связанной с валом электродвигателя. Однако другие составляющие возмущения, выводящие систему из заданного состояния, могут быть приложены в любой точке системы, к любому ее элементу. Например, составляющими возмущения могут быть изменения; напряжения в сети, питающей приводной двигатель; сопротивления под щетками генератора и электродвигателя; сопротивления электрических цепей, входящих в систему, вызванные изменением температурного режима, и т. д. Система автоматического управления должна быть организована так, чтобы компенсировать влияние любого возмущения и обеспечить заданный режим работы объекта управления.

На рис. 1.7, б штриховой линией показана местная обратная связь, образованная с помощью второй обмотки возбуждения ОВГ, пог'люченной на выход генератора. Местная обратная связь, как отмечалось в предыдущем параграфе, может быть как положительной, так и отрицательной. В рассматриваемой системе при положительной местной обратной связи магнитные потоки обеих ОВГ складываются, при отрицательной - вычитаются, что обусловливается изменением полярности ОВГ, образующей обратную связь. Знак местной обратной связи определяется по.условиям динамического расчета системы, о чем речь пойдет ниже.

По характеру действия своего выходного сигнала (выходной величины) местные обратные связи подразделяются на жесткие и гибкие. Жесткая обратная связь характерна тем, что сигнал на ее выходе существует как в установившемся режиме, т. е. в статике, так и в переходном режиме, т. е. в динамике. Действие жесткой обратной связи в системе проявляется независимо от того, какой сигнал имеется у нее на входе - постоянный или переменный. Гибкая обратная связь проявляется только в переходном режиме, т. е. в динамике. Очевидно, что обратная связь в схеме на рис. 1.7,6 является жесткой. Гибкой ее можно сделать, подключив вторую обмотку возбуждения генератора на выходное напряжение генератора через емкость или трансформатор, что обеспечит передачу изменений входного сигнала местной обратной связи на выход этой связи лишь в переходных режимах.

Следует подчеркнуть, что главная обратная связь может быть только жесткой, в противном случае процесс управления выходной величиной в статике прекратится, даже если эта величина значительно превышает заданную.

Исходя из сказанного, схему на рис. 1.7,6 можно определить как систему автоматического регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока с главной обратной связью по частоте вращения и с местной жесткой обратной связью по напряжению .генератора, питающего электродвигатель (или по напряжению, подводимому к двигателю). Все элементы, входящие в систему, кроме .рабочей машины и электродвигателя Д, образуют регулятор.



Применяя к рассмотренной системе названия элементов, введенные при определении функциональной схемы САУ (рис. 1.3), отметим, что функции управляющего (задающего) элемента здесь выполняет потенциометр, а генератор объединяет в себе функции элемента сравнения, усилительного и исполнительного элементов; функции параллельного корректирующего устройства выполняет обмотка возбуждения генератора, подключенная на выходное напряжение генератора, а главная обратная связь образована цепью тахогенератора и ОВГ, включенной на потенциометр.

Система управления на рис. 1.7,6 приведена в качестве простого и наглядного примера технической системы автоматического управления, на которой удобно проиллюстрировать ряд понятий теории управления, таких как объект управления, управляющие и управляемые величины, типы обратных связей, реализация функций управления с помощью конкретных физических устройств и т. д. Вместе с тем эта система широко применяется в различных отраслях техники, например для управления электроприводом строительных машин - экскаваторов, кранов и т. п. - во всех случаях, когда требуется широкое и плавное управление частотой вращения вала рабочего механизма. Система также находит широкое применение при управлении транспортными механизмами. Она позволяет при наличии нерегулируемого (или плохо регулируемого) и нереверсивного приводного двигателя ПД обеспечить широкое, плавное и реверсивное управление рабочей машины. Очевидные недостатки системы - низкий коэффициент полезного действия из-за неоднократного преобразования энергии в элементах системы, потребность в дополнительных машинах (приводной двигатель, генератор) - привели к тому, что область использования рассмотренной САУ значительно сузилась. Тем не менее эта система играет определенную роль в технике управления различными механизмами.

Технологию управления при автоматизированном управлении рассмотрим в общем виде, не конкретизируя объект управления. Как Отмечалось, автоматизированное управление реализуется с помощью АСУ. Технология обработки информации и выработки управляющих воздействий в АСУ носит весьма типовой характер. Схема ее представлена на рис. 1.8.

Информацию об объекте управления в АСУ можно разделить на виды: условно-постоянную и оперативную.

У с л о в н о-п остоянная информация содержится в документах, характеризующих состояние объекта в определенные периоды времени (производственные мощности предприятия, технические характеристики оборудования и т. п.). Эта информация необходима для составления машинной модели объекта, для чего документы преобразуются в форму, удобную для ввода в ЭВМ. В процессе подготовки для ввода в ЭВМ документы регистрируются, комплектуются и с использованием систем классификации и кодирования переносятся на машинные носители - перфокарты, перфоленты, магнитные ленты, магнитные карты. В зависимости от масштабов и назначения объекта, мощности вычислительного



Внешняя среЗа

ЛПР

ОдъектдпроВ/гения

СЛр информации

\ Условно- / / постояннаяК

Передаю инф1мации

инд!ормации

OijpadomKtt индюрмации

Отображение инд)ормации


ОператиВна/г

аид -1

\-Лапрд\-,

< -

Рис. 1.8. Схема обработки информации и выработки управляющего решения в автоматизированной системе управления

центра и других факторов подготовка условно-постоянной информации для ввода в ЭВМ может осуществляться либо непосредственно на объекте, либо в информационно-вычислительном центре.

С машинных носителей информация вводится в ЭВМ и обрабатывается с использованием различных программ нормативно-справочных данных, математических моделей объектов и процессов, хранимых во внешних запоминающих устройствах ЭВМ - магнитных лентах МЛ, магнитных дисках МД и др.

Результаты обработки информации выводятся на устройства отображения информации - экранные пульты ЭП, алфавитно-цифровые печатающие устройства АЦПУ, пишущие машинки ПМ и др.

Оперативная информация характеризует показатели функционирования в текущий момент времени (состояние ресурсов, текущий объем выпуска продукции, потребление энергии и т. п.). Эта информация преобразуется в форму, удобную для передачи в ЭВМ по каналам связи, содержащим аппаратуру передачи данных АПД и аппаратуру приема данных АПрД. Результаты обработки оперативной информации также выводятся на средства отображения.



Анализируя результаты обработки информации, ЛПР - лицо, принимающее решение, формирует управляющие воздействия на объект управления, которыми могут быть те или иные административные распоряжения, поставки дополнительных ресурсов, указания и т. п.

Рассмотренная схема обработки информации и выработки управляющих решений является типичной для большинства АСУ, независимо от характера объекта. При этом в автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУТП) для сбора оперативной информации используются датчики, контролирующие состояние оборудования.

Из приведенного описания видно, что для любой АСУ характерны следующие этапы обработки информации об объекте управления: сбор, контроль и регистрация, перевод информации на машинные носители, ввод информации в ЭВМ, обработка на ЭВМ, вывод результатов обработки информации на устройства отображения и хранения.

1.3. ПРИНЦИПЫ и ЗАКОНЫ УПРАВЛЕНИЯ (РЕГУЛИРОВАНИЯ)

Технико-экономические показатели систем управления сущест- венно зависят от принципов и законов управления (регулирования) , реализуемых той или иной системой.

Принцип управления можно рассматривать как способ формирования управляющего воздействия, а закон управления - как математическое выражение принципа. Остановимся подробнее на этих понятиях, так как они являются фундаментальными в теории управления.

Системы управления формируются на основе одного из трех принципов: 1) управление по отклонению управляемой величины; 2) управление по возмущению; 3) комбинированное управление.

В системах управления по отклонению отклонение управляемой величины от заданного значения преобразуется в управляющее воздействие. Это преобразование осуществляется регулятором, передается на объект управления и направлено на уменьшение отклонения управляемой величины от заданного значения. Такой принцип управления известен также под названием принципа Ползунова - Уатта. s

Способ реализации принципа регулирования по отклонению рассмотрим на примере центробежного регулятора частоты вращения вала рабочей машины РМ (рис. 1.9), широко применяемого в системах управления современными механизмами. Клапан 1, регулирующий подачу топлива из канала А к двигателю (канал В), связан через тягу 2, рычаг CD и систему шарнирных соединений с грузиками 3.

Валик 5 связан с валом рабочей машины РМ, вращение которого через шарнирную передачу 4 передается системе грузиков 3. Пружина 6 играет роль чувствительного элемента регулятора. При заданной частоте вращения со вала рабочей машины система от-




1 2 3 4 5 ... 31



Как выбрать диван



История мебели



Стили кухонной мебели



Публикации



Инверторы



Приемники