Тема 1 - Общи сведения за САР и САУ - 10.2

.

Р е г у л и р а щ а иУ п р а в л я в а щ аТ е х н и к а

Регулираща и Управляваща Техника (РУТ) - д-р инж. Пламен Петров

Цел на курса по РУТ

Целта на курса е

- запознаване с основните методи и средстваза изграждане и изследване на САУ и САР и

- усвояване прилагането им при решаване наинженерни задачи свързани с проектиранетона автоматични системи за управление.


РУТ включва три основни модула

Теория на автоматичното регулиранетипови динамични звенапредавателни функции /характеристики/регулатори устойчивост на динамични системи

Логическо управлениебулева алгебракрайни автомати

Средства за управлениепрограмируеми логически контролериизграждане на системи за управление


Конспект1. Същност и предмет на регулиращата и управляваща техника.2. Системи за автоматично управление и регулиране (САУ и САР),

отворени и затворени системи. Примери.3. Сигнали в системите за автоматично управление и регулиране.

Примери.4. Математическо представяне на САУ и САР. Общи

предавателни функции.5. Пропорционално звено. Временни и честотни характеристики.

Пример.6. Апериодично звено. Временни и честотни характеристики

Пример.7. Колебателно звено. Временни и честотни характеристики

Пример.8. Интегриращо звено, реално и идеално. Временни и честотни

характеристики. Пример.9. Диференциращо звено, реално и идеално. Временни и честотни

характеристики. Пример.


Конспект

10. Устойчивост на САУ и САР. Алгебрични критерии за оценка на устойчивост.

11. Честотни критерии за устойчивост.12. Качество на САУ и САР. Показатели за оценка на качеството.13. Корекция в САУ и САР. Последователни и паралелни коригиращи

устройства, обратна връзка. Типови закони за регулиране.14. Качество на пороцесите в САУ и САР. Методи за изследване на

качеството.15. Логическо управление. Двузначна алгебра на логиката - Булева

алгебра.16. Синтез и анализ на крайни автомати. Аналитични и графични методи

за минимизация.17. Инженерни методи за синтез на системи за логическо управление. 18. Метод на графите за синтез на крайни автомати. 19. Програмируеми логически контролери (ПЛК) – основни хардуерни

модули. Принципна схема на входна и изходна верига.


Конспект20. Програмируеми логически контролери (ПЛК) – адресиране на

данните, цикъл на процесора. Обработка на входни сигнали с използване на прекъсвания.

21. Програмируеми логически контролери (ПЛК) – типове зони в паметта, основни групи инструкции.

22. Програмируеми логически контролери (ПЛК) –времезадаващи елементи от тип таймер.

23. Програмируеми логически контролери (ПЛК) – представяне на входните и изходни променливи.

24. Програмно осигуряване на ПЛК. Основни елементи на програмата.

25. Индустриални мрежи за комуникация. Изграждане на системи за управление на базата на ПЛК.


Литература1. Петров, П. и др. Учебно помагало по регулираща и

управляваща техника, ТУ София 2008.2. Наплатанов, Н. Теория на автоматичното регулиране, том1.

София, Техника 1976.3. Наплатанов, Н. и др. Методи за синтез на САУ. София,Техника

1977.4. Гегов, Е. Теория на автоматичното регулиране и

изчислителна техника в автоматиката, Техника,София 1973.

5. Цанков, Ст. и др. Основи на автоматичното управление на биотехнологични процеси, ТУ София 1994.

6. Kuo, B. Automatic control system, Prentice-Hall,1987.7. Kисьов, В. Теория на крайните автомати, Техника, 1976.8. Тодоров, А. и др. Логическо управление на процеси, 2002.9. Павлитов, К. и др. Програмируеми логически схеми в

електротехниката, София 2007.


Тема:Общи сведения за САУ и САР

Основни понятия и определенияСтруктура и основни елементи на САРВидове САР

Регулираща и Управляваща Техника - д-р инж. Пламен Петров


1. Понятие за управление и регулиране

Управлението се състои в това да се оказва на един или друг обект въздействие за изменение на протичащите в него процеси с оглед постигане на определени цели.

• Управлението може да бъде автоматично и ръчно

- Управлението е автоматично, ако се осъществява без намесата на човек, а с помощта на специалнитехнически устройства.

Разработването на общите принципи на такиваустройства се явява основна задача на Теорията на автоматичното управление.

- При ръчното управление, въздействието върхууправляващия орган се извършва от човек, наблюдавайки хода на дадения процес.


Понятие за управление и регулиране

Състоянието на кой да е технически обект сехарактеризира с една или няколко физически величини; (например: височината на полета на един самолет ).

Нормално функциониране на обекта може да се осигурисамо, когато определени величини характеризиращи състоянието му удовлетворяват определени условия.



Обектите, в които протичат едни или други процесинай-често нe са в състояние да обезпечат тяхнотонормално протичане.

С други думи, обектите не могат да отстранятотклоненията от зададения режим, предизвикано най-често от външни смущения.

Затова тези обекти са снабдени с регулиращи или управляващи устройства, които въздействайки върху обекта и изменят режима на работа, и по такъв начин управляват процесите в него.

Различни процеси на управление се срещат не само в техниката, но и в живата природа, които осигуряват нормалното функциониране на всеки жив организъм.

Един пример е поддържането на телесната температурав определени граници, независимо от изменението на температурата на околната среда.



Теорията на автоматичното управление дава единна основа за решаване на задашата за управление на обекти с различна физическа, химическа или биологична природа.

Типични класове технически задачи:

- управление движението на механични обекти - тук управляеми са процесите на изменение на координатите и скоростта, а управляващивъздействия са външни сили или моменти;

- управление на електротехнически обекти - тук управляеми са процесите на изменение на напрежение, ток, мощност, а управляващи въздействиямогат да бъдат външни електродвижещи напрежения.

- управление на химически обекти - тук управляеми са процесите наизменение на температура, концентрация на вещество, а управляващовъздействие може да бъде изменениет на подаване на толинна енергия и др.



Самият процес на управление, независимо от това дали се осъществяваавтоматично или ръчно, съдържа четири основни елемента:

Основни елементи на процеса на управление:

1. Получаване на информация за задачата за управление / желаната стойностна управляемата величина/

2. Получаване на информация за резултатите от управлението /текущата стойност на управляемата величина/.

3. Сравнение на текущата със желаната стойност на управляемата величина и предприемане на необходимо управляващо действие за нулиране на отклонението между тях

4. Изпълнение на приетото управляващо действие

Пример: Управление скоростта на автомобил

Задачата за упрвление се състои в:

- Поддържане на желана скорост на движение: V = Vжел



Тези 4 основни елемента на процеса на управлениеще разгледаме в случай на ръчно управление наавтомобила

• Шофьорът желае да се движи с определенаскорост /желаната стойност на управляемата величина/.

• Във всеки един момент от бодовата апаратура той отчита действителната скорост на автомобила /текущата стойност на управляемата величина/.

• Сравнявайки зададената и текущата стойност на скоростта, шофьорътрешава необходимо ли е и да увеличи/намали скоростта на автомобила.

• С помощта на педала на газта /орган за управление/ той ускорява/намаля (управлява) скоростта на автомобила до достигане на желаната скорост. През всичкото време шофьорът следи за скоростта на автомобила/резултата от управлението/


Понятие за управление и регулиранеПроследявайки процесът на управление на скоростта на автомобила, се вижда един затворен контур: самите резултати отуправлението /текущата стойност Vна скоростта/ се използват като изходна информация за формиране науправляващото действие U.

Автомобил/обект за управление/

Управление

Информация задействителнатастойност на скоростта

Желанастойност наскоростта

Смущение

Управляващовъздействие

VжелVжел

ΔV=Vжел - VV

VV

ΔV

управление:U=f(ΔV)

U

Управление

Обратната връзка затваряща системата предава резултата от измерваниятана скоростта на входа на системата за сравнение със желаната стойност и резултатът от сравнението се използва за синтез на управление.



Ако управлението на автомобила е автоматично /автомобилът представлява мобилен робот/, управляващото въздействие се изработва от специално управляващо устройство в съответствие с предварително зададен законза управление.

ЕС - елемент за сравнение

Изпълнителноустройство

Управляващоустройство

Задаващоустройство

Измервателноустройство

-

Управляващта част /регулатор/

ЕСvжел vu

обект за управление

Обща функционална схема на САР /система за автоматично регулиране/


Понятие за управление и регулиранеЕС - елемент за сравнение





-


ЕСvжел vu


Възприето е автоматично управляемите машини и съоръжения да се наричатобект за управление /регулиране/. В случая това е автомобилът.

Отделните елементи на САР изпълняват следните функции:

Величината, която определя състоянието на обекта се нарича управляема/регулируема величина. Нарича се още изходна величина.В случая това е скоростта на автомобила.Желаната стойност на регулируемата величина се нарича задаващовъздействие /входна величина/. То може да бъде постоянно или променлива функция на времето.



Управляващото устройство се използва за формиране на управляващотовъздействие. Математическият израз, по който се формира управляващотовъздействие се нарича закон за управление.

Изпълнителното устройство оказва непосредствено въздействие върху обекта за управление в съответствие със закона за управление. Вразглеждания пример с автомобила, изпълнителното устройство е двигателят на автомобила Елементът за сравнение служи за съпоставяне /сравняване/ стойностите на управляемата величина и входното задаващо въздействие.






-


ЕСvжел vu



Управляващото устройство, изпълнителното устройство и измервателнотоустройство съставляват т.н. управляваща част на системата


Измервателното устройство служи за измерване текущата стойностна регулируемата величина. В примера с автомобила това е сензор за измерване на скоростта

Задаващото устройство е предназначено да се зададе/настрои/ желанастойност на регулируемата величина.






-


ЕСvжел vu



ОРУЧg(t) y(t)f

Система за Автоматично Регулиране (САР) - състои се отот обекта за регулиране (ОР) и управляващата част (УЧ)


Съответните елементи на всяка САР изпълняват еднакви функциинезависимо, че се различават по:- обектите за управление, - физическата природа на управляемите величини;- конструкцията на елементите на управляващите устройства.



Основни задачи за управление

• Поддържане на постоянна стойност на регулируемата величинаЗадачата за поддържане на постоянна стойност на регулируематавеличина се нарича задача за стабилизация.

• Изменение на регулируемата величина по предварително известен законКогато задачата се свежда до до управление на дадена величинавъв функция от времето и тази функция е зададена предварително,се решава задачата за програмно управление

• Изменение на регулируемата величина по предварително неизвестензаконКогато предварително не е известен законът по който трябва да се изменя регулируемата величина, съответните системи се наричатследящи системи.

Теория на Автоматичното Управление/Регулиране – ТАУ/ТАР

Теория на Автоматичното Управление (ТАУ) /ТАРНаука , която изучава общите принципи на изграждане наавтоматични системи и методите за тяхното изследваненезависимо от физическата природа на протичащите в тях процеси.

Основни задачи на ТАУ/ТАР:- изследване свойствата на автоматичните системи

/задача за анализ/- разработване на автоматични системи отговарящи на

зададени технически изисквания/задача за синтез/

Терминологично уточнение:разликата между управление и регулиране


Най-общо управлението е по-общ термин от регулирането. Една САУ включва винаги и САР, като може да изпълнява и други функции. Например САУ на полета на самолет може да включва и функции по анализ на въздушната обстановката по време на полета.

2. Видове САР


Вследствие на особеностите на различните обекти за регулиране,съществуват голям брой САР, които се отличават помежду си в едноили друго отношение. Поради това не съществува единна класификация на САР.

САР могат бъдат класифицирани по разлишни признаци като:

-. Според начина на формиране на управляващо въздействие- Според свойствата на системата в установен режим- Според броя на входните и изходните сигнали- Според характера на изменение на задаващото въздействие- В зависимост от физическата природа на използваните елементи- Според вида на диференциалните уравнения описващи процеситена регулиране

- Според харакера на сигналите, които протичат в САР

Видове САР

ОУУУg u у

f

- При отворените САР няма обратна връзка; (липсва въздействие на изхода върху входа на системата)

- Управляващото въздействие u:- зависи единствено от входното задаващо въздействие g и- не зависи от текущата стойност на управляемата величина y

(т.е. от резултата от управлението);

- Отворени САР

Задача на отворената САР е да се възпроизвежда входното задаващо въздействие. Затова е необходимо да се познават добре характеристиките на обекта

Особености на отворените САР:


а. Според начина на формиране на управляващото въздействие

Системата се нарича отворена, защото липсва обратно въздействие /обратнавръзка/ на изхода върху входа на системата.

Видове САР

Под саморегулиране се разбира способността на обекта да се установява внов режим на работа при изменение на външните смущаващи въздействия

- Отворени САР се използват самопри обекти със саморегулиране

- Използват се основно при управление на обекти, където изискваниата за точност не сависоки Вятър

Нервна пътна настилка

V = Vжел

Наклон

V < Vжел

Приложение на отворените САР


Пример за отворена САР е управление на скоросттана автомобил с предварително фиксиран педал на газтасъответстващ на желаната скорост на движение.При промяна на пътната обстановка като насрещен вятър,неравности по пътя или насрещен наклон, автомобилът можеда продължи да се движи, но с по-малка от желаната скорост,тъй като подаваното количество гориво не се променя и съответства на предварително определената /желана/ скорост

Съпротивление от триене притъркаляне

Fsroll

Съпротивление начаст от теглото

FGtan


Видове САР

Управление по смущение –- Компенсира се най-често основното

смущаващото въздействие f;

- Необходимо е да се измерва смущаващотовъздействие f (смущението) ;

- Управляващо въздействие u е еквивалентнона смущението, но с противоположен знак за да го компенсира

Принципът за управление по смущение се прилага при отворените САР, когатое възможно да се компенсира едно или няколко смушаващи въздействия.

Особености на управлението по смущение:- Управляемата величина y не се измерва;- Системата е отворена !!!- Процесът на управление не зависи от резултатите;

УУ ОУ

ИУ fyg u

П

П-преобразувател

Регулатор

ИУ - измерватело устройство

Принцип на управление по смущение

Видове САР

Предимства на управлението по смущение:

- Не възникват проблеми с устойчивостта на системата.

Недостатъци на управлението по смущение:

- Трябва да се знае зависимостта на изходната величина от всяко смущение;

- Трябва да се измерва смущаващото въздействие, което на практика не винаги е лесно;

- Ниска точност.

- Компенсира смущаващото въздействие;

- Отстраняват се само основните смущаващи въздействия, по които са изградени компенсационни канали;


Видове САР

- Затворени САР (Системи за управление с обратнавръзка )

Това са най-често използваните системи в практиката при управление на по-сложни обекти

Основен признак на затворените САР: обратната връзка (ОВ)

Посредством обратната връзка, на входа на системата сеподават данни за текущото състояние на регулируемата величина y;Затворените системи работят на принципа на управление поотклонение.

ОУУУx u уg

-

f

x = g - y

Особености на затворените САР


Видове САР

Принцип на управление по отклонение- измерва се управляемата величина;- сравнява се управляемата величина

със задаващото въздействие; - отклонението /грешката, разсъгласуването/ се пробразува във управляващо въздействие.

Предимства на затворените САР

- По-слабо чувствителни са към изменение на параметрите насистемата;

- Висока точност на работа.

Недостатъци на затворените САР- По-слабо бързодействие, защото реагират на отклонението, а не

на фактора, който го предизвиква;- Проблеми с устойчивостта на системата.

- Реагират на отклонение на регулируемата величина от желаната стойност независимо от факторите, които го предизвикват;

ОУУУx u уg

-

f


Видове САР

- статични САР- системи при, които се налагапринципно наличието на грешка (отклонение нарегулируемата величина от желаната стойност) в установен режим.

- астатични САР- системи, при които грешката вустановен режим е равна на нула


b. Според свойствата на системата в установен режим

Видове САР- Пример: Статична САРСистема за автоматично регулиране (САР) на напрежението на генератор за постоянен ток

- Обект за регулиране – генератор Г;- Регулируема величина у (t) –

напрежението на генератора;-Зададената стойност на

регулируемата величина g –определя се от плъзгача на потенциометъра П;

- Грешка (разсъгласуване) в с/мата -

х(t); (g и y са включени насрещно);- Управляващто устройство –усилвател У;

- Управляващо въздействие u(t) –изходното напрежение на усилвателя.

- Смущаващо въздействие I – токът вкотвената намотка на Гсъссъпротивление R

-Системата се разглежда вустановен режим на работа;

- Системата е затворена (осъществява се регулиранепо отколение с помощта наОВ)

RГвнг

g

y

x

У

u

I

П


Пример: Статична САР

Допускаме,че У и Г имат линейни характеристикиИзследваме работата в установен/статичен/ режим. Поради това пренебрегваме индуктивността на котвената намотка на Г и нaконсуматора.

x = g – y грешка в системата (1)

Двете напрежения g и y са включени

насрещно;

u = k1x, k1 – коеф. на усилване (2)

EГ = k2u, k2 – коеф. на усилване (3)

EГ – ЕДН на генератора

EГ = k1 k2x = kx , където k =k1 k2 (4)

Равенство (4) показва, че за да има ЕДН и следователно някакво изходно напрежение y на генератора е необходимо наличието на

известна грешка x = g – y в системата. В противен случай y = 0.

RГвнг

g

y

x

У

u

I


Пример: Статична САР

Статична САР – система, при която се налага принципно наличието на грешка в установен режим.

Определяне стойността на грешката в установен режим

y = EГ - IR = kx – IR (5)

От x = g – y → y = g – x (6)

От (5) и (6) получаваме:

x = g/(1 + k) + IR/(1 + k) (7)

Установената грешка x се състои от две части- Грешка по отношение на заданието: g/(1 + k)- Грешка по отношение на смущението: IR/(1 + k)

RГвнг

g

y

x

У

u

I

П


Видове САР- Пример: Астатична САР

Разлика от статичната САР:Изходнато напрежение u на усилвателя У захранва помощния двигател ПД, който от своя страна е свързан механично с плъзгача на захранващия потенциометър (ЗП) във възбудителната намотка на генератора Г.

Особеност на работата на системата: - ПД се намира в движение докато изходното напрежение на

усилвателя У стане равно на нула. - Това е възможно само , ако входоното напрежение x = g – y = 0.- Следователно в установен режим системата няма да допуска

никаква грешка.

ЗП

Гвнг

g

у

xУпд u

R

IЗахранващпотенциометър

П


Видове САР

c. Според броя на входните и изходни сигнали

- едномерни - една управляема величина

- многомерни - няколко управляеми величини

d. Според характера на изменение на задаващото въздействие /според задачата за управление/

- система за стабилизация /задаващото въздействие има константна стойност/

- система за програмно управление /задаващото въздействие се изменя по предварително известен закон/

- следящи системи – задаващото въздействие се изменя по неизвестен закон


Видове САР

f. Според вида на уравненията описващи динамиката на процесите за регулиране

- линейни САР- нелинейни САР

Линейна САР се нарича такава система, на която динамиката на всички звена в система се описват с линейни уравнения /алгебрични и диференциални/. За това е необходимо преди всичко статичните характеристики на всички звена в системата да са линейни, т.е., да имат вида на права линия.

e. В зависимост от физическата природа на използваните елементи

- eлектирически /ток, напрежение/- механични /сила, пространствено прeместване/- хидравлични /налягане/- пневматични и др.


Видове САР

g. Според характера на сигналите, които протичат в САР

- системи с непрекъснато действие - при които сигналите в системата са непрекъснати функции на времето

- системи с дискретно действие - при които сигналитемежду всички или само някои елементи на системата действат само в определени моменти от време.



КРАЙ

Общи сведения за САУ и САР

Тема 1 - Общи сведения за САР и САУ - 10.2

Documents