Почему разомкнутые системы не используют в ответственных случаях

Обновлено: 02.07.2024

Сущность принципа заключается в том, что алгоритм управления вырабатывается только на основе алгоритма функционирования и не контролируется другими факторами-возмущениями или выходными координатами процесса. Функциональная схема показана ниже

Близость Х и Хо обеспечивается только конструкцией и подбором физических закономерностей, действующих в элементах. Несмотря на очевидные недостатки принцип используется довольно широко. Элементы, входящие в разомкнутую цепь входит в состав любой системы, поэтому принцип представляется настолько простым, что его не всегда выделяют как один из фундаментальных принципов.

xЗ(t) - задает алгоритм функционирования.

К элементам разомкнутого типа можно отнести:

логические элементы и, или, не, датчики программы и сам программный механизм, т.е. устройство пуска и, например, программированный кулачковый механизм счетно-решающие элементы.

Принцип регулирования по возмущению (компенсации)

Состоит в том, что из различных возмущений, действующих в системе, выбирается одно главное, на которое реагирует САР. В этом случае компенсируется внешнее влияние на регулируемый параметр только основного возмущающего воздействия, и управляющее воздействие вырабатывается в системе в зависимости от результатов изменения основного возмущения, действующего на объект.

Применение ограничено объектами, характеристики которых известны.

Поскольку система, по сути, разомкнутая, появляются отклонения управляемой величины с изменением характеристик объекта и элементов системы

Устраняются воздействия, по которым созданы компенсационные каналы.

5.3. Принцип регулирования по отклонению (принцип Ползувова-Уатта)

1) Уменьшает отклонение регулируемой величины не зависимо от факторов вызвавших это отклонение.

2) Менее чувствителен к изменениям параметров элементов системы по сравнению с разомкнутыми системами.

1) В простых одноконтурных системах нельзя достичь абсолютной инверсности.

2) Возникает проблема устойчивости.

Управляющее (регулирующее) воздействие вырабатывается на основании разности регулируемой и задаваемой величин. Единственным образом заданная связь называется главной. Регулируемый параметр через главную обратную связь подается на вход регулятора с обратным знаком по отношению к q(t). Поэтому главная связь считается отрицательной.

Отрицательная черта замкнутой системы ее универсальность. Любое отклонение регулируемого параметра от заданного значения вызывает появление управляющего воздействия независимо от числа, вида и места приложения возмущений.

В системах, работающих по принципу отклонения для формирования управляющего воздействия необходимо наличие ошибки. Само по себе это является недостатком, так как именно ошибку требуется изменить регулятором. При управлении сложными инерционными объектами, когда управляющее воздействие не может вызвать мгновенного изменения регулируемого параметра, возникающая ошибка может иметь недопустимо большое значение.

Комбинированное регулирование

Каждый из рассмотренных выше примеров имеет свои достоинства и недостатки. Поэтому для создания автоматических систем высокой точности обычно используют принцип комбинированного регулирования, сочетающий в себе оба принципа.

В комбинированной системе внешнее воздействие компенсируется регулирующим воздействием в соответствии с его изменением, а воздействие по отклонению используется для устранения погрешностей, возникающих в результате неточности регулирования.

Принцип адаптации

Принципы адаптации (приспособление) используется в самонастраивающихся САР. Особенностью их является то, что они автоматически приспосабливаются к изменяющимся условиям работы и автоматически выбирают оптимальный закон регулирования. Рассмотренные ранее САР с неизменной настройкой регулируемого параметра, в которых процесс регулирования сводится к ликвидации отклонения, не могут обеспечить нормальную работу объекта регулирования, если его статические и динамические характеристики изменяются во времени. В таких случаях необходимо изменить или настройки регулятора, или характеристики и параметры отдельных элементов системы, или схему элементов, или даже вводить в действие новые элементы.

В ситуации выбора между детальной информацией о процессе и прочностью, простотой и низкой ценой управление в разомкнутом контуре может оказаться полезной альтернативой более сложным системам с обратной связью при выборе исполнительных устройств.

Будучи упрощенным и далеким от совершенства, механизм управления в разомкнутом контуре продолжает находить применение в промышленности, а также в оборонной и аэрокосмической отраслях. И все же, что представляет собой управление в разомкнутом контуре? В качестве примера можно привести ночник, который включается при наступлении темноты или масляный клапан реактивного двигателя военного самолета, меняющий положение в зависимости от высоты. Для этого вида управления характерно отсутствие обратной связи, с помощью которой можно получить информацию о том, что происходит.Так почему же нам следует его использовать? Да потому, что в некоторых обстоятельствах простота повышает надежность и, кроме того, низкая цена делает этот вид управления более практичным для ряда процессов.

Два условия, при которых управление в разомкнутом контуре является практичной альтернативой системам с замкнутым контуром:

Сварной сильфон/разомкнутый контур


Когда они представлены рядом, можно видеть, что сварной сильфон является физическим представлением системы управления в разомкнутом контуре.

Акцент на температуру

Устройство с разомкнутым контуром управления обычно представляет сгруппированные в один узел датчик, усилитель и привод. Одна из наиболее распространенных технологий, объединяющая эти составные части, это металлический сильфон. Это устройство было создано более 100 лет назад и представляло собой механически сформованный сильфон.Через 50 лет появилось устройство с более высокими характеристиками – сильфон со сварными краями. Сегодня широко используется именно эта, более поздняя версия, однако в технологии, которая будет описана ниже, применяются обе версии. В механическом устройстве металлический сильфон, в котором объединены свойства пружины, клапана и цилиндра, является датчиком и приводом. Для его движения характерно отсутствие трения, утечки и нарушения герметичности.

Применение в хвостовом несущем винте вертолета


Воздух внутри сильфона делает его чувствительным к давлению и температуре. Система измеряет плотность воздуха для выравнивания наклона несущего винта

В сильфоне, заполненном жидкостью, входным сигналом является теплота. Жидкость и окружающая ее оболочка (колба) вместе с сильфоном представляют собой датчик и усилитель. На выходе системы находится стержень или подвижный рычаг (см. график „сварной сильфон/разомкнутый контур“, на котором показана взаимосвязь между системой управления в разомкнутом контуре и сварным сильфоном). Существенным для этой системы является довольно высокие значения движущей силы и длинный ход, который можно получить на выходе: обычный показатель – от полукилограмма до нескольких килограммов в зависимости от размера сильфона. А ход может изменяться в диапазоне от миллиметров до ескольких сантиметров. По своей сути это практичный вариант исполнительного устройства с прямым линейным приводом без двигателей или электроэнергии.

Хорошим примером удачного применения управления в разомкнутом контуре с использованием сварного сильфона является оптический прицел военных орудий. Прицел, который располагается на бронированной машине, должен быть постоянно наведен на цель для немедленного использования без корректировки. Поскольку машина находится на открытом пространстве, оптика подвергается значительным перепадам температуры, особенно в условиях пустыни. Использование жидкостного сильфона для перемещения парфокальной линзы внутри системы линз прицела на один сантиметр в одну или другую сторону может компенсировать температурные измерения размеров оптической системы. Под воздействием внешних условий оптический прицел нагревается, жидкость, которая в этом случае находится внутри сильфона, заставляет его расширяться и перемещать линзу. При понижении температуры воздуха жидкость и сильфон сокращаются, и линза перемещается в другом направлении. Согласно конструкции перемещение пропорционально температуре. В этой задаче обратная связь не является критически необходимой. Оператор видит расфокусировку системы и может самостоятельно сделать коррекцию в случае отказа системы наводки. Однако прочность и простота системы гарантируют незначительную вероятность сбоев, одновременно избавляя от необходимости использования электроэнергии и сложных систем с обратной связью.

Применение в производстве полупроводников


Сильфон с запаянным внутри воздухом должен пассивно воспринимать наличие вакуума на своей внешней поверхности и расширяться, чтобы прижать пластину полупроводника для начала работы или проверки

Давление, высота

В другой разновидности управления в разомкнутом контуре сильфон используется для контроля давления паров масла в реактивном двигателе военного самолета, в этом случае вместо температуры регистрируется высота. Сильфон герметично запаян, воздух из него выкачан. Здесь сильфон выполняет функции анероидного датчика/привода. Он изменяет свою длину в соответствии с абсолютным давлением, т.е. высотой. По мере набора высоты летательным аппаратом сильфон расширяется, управляя клапаном и уменьшая поток воздуха, который проходит через двигатель с тем, чтобы поддерживать постоянное давление масла. В применении обратной связи нет необходимости, таким образом, разомкнутый контур является экономичным видом управления.

Рассмотрим управление в разомкнутом контуре для следующих приложений:

  • в долговременных установках, когда непрерывная и надежная подача электроэнергии может оказаться затруднительной, опасной, непрактичной или дорогостоящей;
  • в жестких условиях эксплуатации, когда высокие температуры, вибрация и агрессивные вещества могут оказаться опасными для деталей полупроводников, например, в скважинах;
  • там, где достаточно простое переключение бинарного выхода, мгновенное или постепенное;
  • там, где контроль за процессом проводится нечасто, если вообще осуществляется, или полнота управления осуществляется опосредованно через другие показатели.

Ниже перечислены системы, где наиболее приемлемо управление в разомкнутом контуре:

  • чаще всего механические по своей форме;
  • допускающие их корректировку оператором для компенсации ошибок системы;
  • предназначенные для работы продолжительное время с минимальным вниманием оператора;
  • не требующие повторной калибровки;
  • простые по функциям и в конструкции системы, в которых отдельные компоненты выполняют многочисленные задачи;
  • непрерывно работающие даже без необходимости;
  • экономичные, когда стоимость важнее точности.

Рисунок „применение в хвостовом несущем винте вертолета“ показывает, как осуществляется управление в разомкнутом контуре с двойным вводом для настройки угла наклона хвостового несущего винта вертолета. И в этом случае сильфон герметично запаян, но воздух из него не выкачивается. Поскольку воздух в сильфоне присутствует, длина сильфона – это функция высоты и температуры, т.е. то, чем определяется плотность воздуха. Сильфон имеет большую площадь поверхности и малую массу, поэтому он является датчиком температуры с очень низкой постоянной времени. Комбинация его пружинящей силы и расширения газа, находящегося внутри, служит движущей силой для механизма, регулирующего угол наклона. Так как в разомкнутом контуре нет обратной связи, у нас нет уверенности, в том, что хвостовой несущий винт установлен в нужном положении в соответствии с плотностью воздуха. Но это и не очень важно, поскольку прибор является только вспомогательным для пилота. Если пилот почувствует ошибку, он может произвести корректировку самостоятельно.

В случае применения управления в разомкнутом контуре для изготовления полупроводников сильфон растягивается и сжимается по мере изменения давления, но в действительности он может быть в одном из двух состояний – сжатом или растянутом. Эта система заменяет активную систему и исключает необходимость трех проникновений в камеру, использования трех электрических приводов вне камеры и соответствующих регуляторов для них. Система работает в разомкнутом контуре и нет обратной связи, чтобы удостовериться, что зажим был приведен в действие. Однако другие операции в ходе процесса будут сигнализировать о сбое.

Совокупность управляемого объекта и устройства, обеспечивающего реализацию части или всех функций процесса управления без непосредственного участия человека, называется автоматической системой, (системой автома­тики). По функциональному признаку автоматические системы разделяются на два основных вида: 1) системы автоматического контроля (САК); 2) системы автоматического управления (САУ). САК обеспечивают автоматическое получение информации о со­стоянии и условиях работы того или иного объекта управления, а также ее представление в удобном виде на пульте оператора (дис­петчера), а САУ — автоматическое функционирование объекта в соответствии с требованиями технологического процесса.

Рассмотрим принципы построения различных автоматических систем, используя, их функциональные и принципиальные схемы. На функциональных схемах (блок-схемах) составные части системы (блоки) представляются геометрическими фигурами (прямоугольниками, кружками), а их взаимодействие — линиями со стрелками. Блоки обозначаются буквами (словами), соответст­вующими выполняемым ими функциям. Число блоков для одной и той же системы может быть различным, так как их выделение производится условно, в зависимости от детализации выполняе­мых ими функций в системе.

Детальное представление о принципах работы автоматической системы дает ее принципиальная схема, на которой элементы и связи между ними изображают в виде условных графических обо­значений, установленных целым рядом Государственных общесо­юзных стандартов (ГОСТ). Позиционные обозначения элементов или устройств принципиальной схемы также определяются требо­ваниями ГОСТа. Например, при выполнении электрических схем руководствуются ГОСТ 2.721—74, ГОСТ 2.728—74, ГОСТ 2.730—73, ГОСТ 2755—74, ГОСТ 2.756—76 на обозначения условные графи­ческие для различных элементов и ГОСТ 2.710—81 на их буквен­но-цифровые обозначения.

Общая функциональная схема системы автоматического контроля представлена па рис. 1, а. Контролируемая величина х объ­екта О измеряется блоком (элементом) ИБ и поступает в управляющий блок УБ, в котором формируется сигнал и, подавае­мый на воспроизводящий блок (элемент) ВБ. Последний фикси­рует результаты контроля в форме, удобной для оператора, исполь­зуя световые, звуковые, стрелочные, цифровые, самопишущие приборы. Состав воспроизводящих приборов определяется требованиями к системе контроля.

В качестве примера САК на рис. 1,6 приведена принципиаль­ная схема контроля уровня жидкости в емкости. Контролируемым параметром в этой системе является уровень Н, например, воды в баке. Функции измерительного элемента выполняет металлический электрод (датчик) В установленный на высоте, соответст­вующей заданному значению уровня.

Управляющий блок представлен электромагнитным реле К. воспроизводящий элемент — сигнальной лампой НL. Когда вода поднимается до уровня установки электрода В, по обмотке реле от источника U1 будет проходить ток. Контакт реле замкнется и подключит к источнику U2 сигнальную лампу.


Рис. 1. Общая функциональная схема системы автоматического контроля (а) и пример её реализации (б).

1. Системы автоматического управления

Они классифицируются по ряду признаков, характеризующих различные их особенности.

1. По типу контура управления: разомкнутые, замкнутые.

2. По принципу управления: по отклонению, комбинированные, адаптивные.

3. По характеру изменения задания: стабилизирующие, про­граммные, следящие.

4. По характеру сигнала: непрерывные, дискретные (импульс­ные, релейные, цифровые).

5. По характеру реакции на возмущение: статические, астати­ческие.

6. По виду вспомогательной энергии: электрические, пневма­тические, гидравлические, комбинированные.

1.1. Разомкнутые САУ


Рис.2. Общая функциональная схема разомкнутой системы автоматического управления (а), пример е реализации (б) и программа изменения скорости (в)

Простейшими системами управления являются разомкнутые САУ (рис. 2.,а). Они обеспечивают заданный закон изменения состояния объекта управления (включение, выключение, измене­ние режима работы, требуемую последовательность технологичес­ких операций и др.) без контроля результатов управления (без обратной связи). Закон изменения состояния объекта управления во времени называется программой управления. Последняя разме­щается в специальном блоке-задатчике ЗБ, который формирует заданное значение х3 управляемой величины х объекта, т. е. закон ее изменения во времени. При этом под управляемой величиной понимают параметр, характеризующий рабочий процесс объекта например, угловую скорость, температуру, момент нагрузки и др. Функции задатчика могут выполняться релейным или программным устройством, вычислительной машиной.

Управляющий блок УБ воспринимает сигнал задатчика, преобразует его и выдает командный сигнал на вход исполнительного устройства ИУ, которое вырабатывает управляющее воздействия и, прикладываемое ко входу объекта. Последнее изменяет количество энергии или вещества, подводимого к объекту, обеспечивая этим изменение его состояния в соответствии с заданием.

Воздействия z, изменяющиеся при работе системы и нарушающие требуемую функциональную связь между х3 и х, называются возмущающими, или возмущениями. Они делятся на основные и второстепенные (помехи). Основные возмущающие воздействия! сильно влияют на управляемый процесс. Они, как правило, приложены к объекту. К ним относятся нагрузка объекта управления, влияние температуры, влажности и т. п. Помехи — это многочисленные воздействия, слабо влияющие на ход процесса. К ним можно отнести колебания напряжения в сети переменного тока, изменения сопротивлений цепей, воздушные зазоры и упругие деформации в деталях и т. п. Помехи могут воздействовать на часть или на все элементы системы.

В качестве примера разомкнутой САУ на рис. 2, б представлена принципиальная схема управления угловой скоростью электродвигателя М2. Программное устройство (задатчик) в этой системе выполнено на синхронном микродвигателе М1, на валу которого расположен профильный диск ПД, и резисторе R, подвижный контакт которого перемещается толкателем, взаимодействующим с ПД. Программа изменения скорости (рис. 2., в) определяется профилем диска ПД. В соответствии с изменением напряжения U3 , подаваемого на обмотку возбуждения L генератора G изменяются во времени напряжение Uя на якоре двигателя М2 (управляющее воздействие) и угловая скорость вала у управляемая величина). Основное возмущение в этой системе — нагрузка на валу двигателя, т. е. статический момент Мс .

Изменяя профиль диска ПД, можно получить любой закон изменения скорости двигателя. Подобный принцип задания скорости 3 используется при управлении подъемными машинами. Профильный диск связывают с валом подъемной машины, задавая скорость в зависимости от положения подъемного сосуда в стволе.

Недостаток разомкнутых САУ — малая точность выполнения I заданного закона управления, так как возмущающие воздействия не компенсируются. Поэтому такие системы в основном применяют для автоматизации процессов пуска и останова машин и механиз­мов, когда не требуется точное выполнение заданного закона изменения скорости (насосы, вентиляторы, конвейеры, компрессоры и др.), а также для обеспечения требуемой последовательности рабочих операций.

1.2. Замкнутые САУ

Замкнутые САУ строятся на основе принципа обратной связи, сущность которого заключается в том, что управляющее воздей­ствие ставится в зависимость от того результата, который оно вызывает. Под обратной связью понимают устройство, осущест­вляющее передачу воздействия с выхода системы или ее элемента на их входы. Такие связи (их может быть несколько в одной си­стеме) реализуются на основе измерительных устройств.

Обратные связи могут быть жесткими и гибкими, положитель­ными и отрицательными. Жесткая обратная связь действует по­стоянно, т. е. в переходных и установившихся режимах работы системы, а гибкая — только в переходных режимах. Сигнал поло­жительной обратной связи суммируется с входным сигналом систе­мы (элемента), а сигнал отрицательной — вычитается из входно­го сигнала.

Замкнутая САУ (рис. 3, а), в которой управляющее воздей­ствие вырабатывается в функции отклонения действительного значения управляемой величины от ее заданного значения, назы­вается системой автоматического регулирования (САР). Управле­ние в таких системах называют регулированием, управляющее устройство — регулятором, а управляемую величину — регулируе­мой величиной.

В САР, представленной на рис. 3, а, реализован принцип управления отклонению. Блок ИБ измеряет регулируемую ве­личину х, преобразует ее в величину хи , подобную выходной вели­чине х3 задатчика ЗБ и подаёт на элемент сравнения ЭС, который определяет отклонение регулируемой величины от заданного значения:


Рис.3 .Функциональные схемы замкнутых САУ: а – САР по отклонению; б – комбинированием ; в – адаптивная

Сигнал ∆х после преобразования в управляющем блоке УБ передается на исполнительное устройство, которое формирует управляющее воздействие ,прикладываемое к регулирую­щему органу объекта (задвижке, клапану и т. п.) и обеспечивает тем самым приближение регулируемой величины к заданному зна­чению. Регулирующий орган может отсутствовать, если весь поток энергии или вещества поступает в объект от исполнительного уст­ройства, например, от генератора к электродвигателю.

Для САР характерно наличие отрицательной обратной связи и! замкнутой цепи передачи воздействий: УБ—ИУ—О—ИБ—ЭС—УБ. Благодаря этому они способны обеспечить высокую точность уп­равления.

На. практике САР широко применяют для обеспечения требуе­мых режимов работы машин и установок путем поддержания на. заданном уровне или изменения по заданному закону величин, характеризующих их рабочие процессы.

Системы, имеющие задание поддерживать управляемую вели­чину на постоянном уровне х3 =constназываются автоматически­ми стабилизирующими системами. К ним относятся, например, системы автоматической стабилизации температуры подаваемого в шахту воздуха, нагрузки выемочных и проходческих комбайнов, давления в пневмосети и др.

Замкнутые системы, изменяющие управляемую величину в соответствии с заранее заданной функцией какого-либо параметра (времени, пути и т. д.), называются программными автоматически­ми системами. К таким системам относится, например, САР ско­рости шахтной подъемной машины.

Системы, имеющие задание изменять управляемую величину в соответствии с действующей на входе системы переменной величи­ной, закон изменения которой заранее неизвестен, называются ^ следящими автоматическими системами. Примером таких систем является САР производительности компрессорной станции, обеспечивающая производство сжатого воздуха в соответствии с его потреблением, имеющим случайный характер изменения во времени.

Автоматические системы управления высокой точности обычно строят по принципу комбинированного управления (рис. 3, б). В таких системах воздействие и вырабатывается управляющим устройством УУ в функции отклонения и возмущения. Последнее измеряется блоком ИБ2 и подается на вход системы в виде сигна­ла zи , который суммируется с заданием х3 компенсируя тем самым вредное влияние возмущения г на управляемую величину х.

Успешное развитие кибернетики позволило применить в автоматических системах новый принцип управления, называемый! принципом адаптации (приспособления). Системы, использующие этот принцип, способны обеспечить высокое качество управления объектами с переменными свойствами и условиями функциониро­вания, например, добычными механизмами и буровыми установка­ми, у которых в процессе работы затупляются режущие элементы рабочих органов, изменяются физико-механические свойства гор­ного массива, масса подвижных частей и др.

Адаптивная (самонастраивающаяся) САУ (рис. 3, в) содер­жит дополнительное управляющее устройство УУД, которое выра­батывает корректирующее воздействие , используя информацию об изменении управляемой величины, задающего и возмущающего воздействия. Сигнал вызывает необходимые изменения струк­туры и параметров основного управляющего устройства УУ0 , т. е. осуществляет самонастройку системы в процессе ее функциониро­вания.

В зависимости от характера сигналов, передаваемых от одного элемента системы к другому, автоматические системы делятся на непрерывные, импульсные, релейные и цифровые (кодовые).

Непрерывные системы имеют на входе и выходе всех элемен­тов сигналы, представляющие собой непрерывные функции вре­мени.

Импульсные системы содержат по крайней мере один элемент, сигнал на выходе которого представляет собой последовательность импульсов, амплитуда, длительность и частота повторений которых зависят от .сигнала на входе этого элемента в отдельные (дискрет­ные) моменты времени.

Релейные системы характеризуются наличием хотя бы одного элемента, сигнал на выходе которого изменяется скачком всякий раз, когда сигнал на его входе проходит через некоторые фикси­рованные значения, называемые порогами или уровнями.

Цифровые системы содержат элементы, которые преобразуют непрерывные сигналы в дискретные путем квантования их по уров­ню и по времени и осуществляют их представление в виде после­довательности чисел в цифровом коде.

Импульсные, релейные и цифровые системы образуют класс дискретных систем управления, характерной особенностью кото­рых является наличие одного или нескольких дискретных сигналов, т. е. сигналов, изменяющихся скачком или представленных в виде последовательности кратковременных импульсов. Дискретные системы в настоящее время в связи с бурным развитием вычисли­тельной техники получают все большее применение в промышлен­ной автоматике.

В зависимости от характера реакции на возмущения САУ де­лятся на статические и астатические.

К статическим САУ относятся системы, у которых установив­шееся значение управляемой величины зависит от величины воз­мущающего воздействия, так что отклонение от задания пропор­ционально величине последнего, т. е. в системе всегда имеется так называемая статическая погрешность.

В астатических системах установившееся значение управляв мой величины не зависит от величины возмущающего воздействия и статическая погрешность равна нулю.

Проектированию любой автоматической системы предшествует анализ производственного процесса, условий эксплуатации и формулирование требований к САУ. В связи с этим далее рассматри­ваются некоторые вопросы теории, раскрывающие принципы построения автоматических систем и закономерности протекающих в них процессов.

2. Цифровой компьютер

Рассмотрим подробно компьютер, входящий в состав замкнутой цифровой системы управления (рис. 4). Здесь и далее аналоговые сигналы обозначаются сплошными линиями, а дискретные (числовые последовательности) — точечными.


Рис. 4. Блок-схема цифрового компьютера

Аналоговые входные сигналы (задающие воздействия, сигнал ошибки, сигналы обратной связи с датчиков) поступают на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), где преобразуются в цифровую форму (двоичный код). В большинстве случаев АЦП выполняет это преобразование периодически с некоторым интервалом T , который называется интервалом квантования или периодом квантования . Таким образом, из непрерывного сигнала выбираются дискретные значения (выборка, англ. sampling ) e [k ] = e (kT ) при целых k =0,1,…, образующие последовательность e [k ]>. Этот процесс называется квантованием . Таким образом, сигнал на выходе АЦП можно трактовать как последовательность чисел. Вычислительная программа в соответствии с некоторым алгоритмом преобразует входную числовую последовательность e [k ]> в управляющую последовательность v [k ]>.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) восстанавливает непрерывный сигнал управления по последовательности v [k ]>. Чаще всего ЦАП работает с тем же периодом, что и АЦП на входе компьютера. Однако для расчета очередного управляющего сигнала требуется некоторое время, из-за этого возникает так называемое вычислительное запаздывание . На практике принято это запаздывание относить к непрерывной части системы и считать, что АЦП и ЦАП работают не только синхронно (с одинаковым периодом), но и синфазно (одновременно).

Особенности цифровых систем

Очевидно, что основные характерные черты цифровых систем управления связаны с наличием компьютера (цифрового устройства) в составе системы. Главные преимущества цифровой управляющей техники сводятся к следующему:

• используется стандартная аппаратура;

• нет дрейфа параметров, характерного для аналоговых элементов;

• повышается надежность и отказоустойчивость;

• существует возможность реализации сложных законов управления, в том числе логических и адаптивных;

• гибкость, простота перестройки алгоритма управления.

Как обычно, за достоинства приходится расплачиваться. В результате квантования по времени компьютер получает только значения входных сигналов в моменты квантования, игнорируя все остальные. Кроме того, АЦП и ЦАП имеют ограниченное число разрядов, поэтому при измерении входного сигнала и выдаче сигнала управления происходит округление значения к ближайшему, которое сможет обработать АЦП (или ЦАП). Это явление называют квантованием по уровню .

Таким образом, квантование в цифровых системах приводит к специфическим эффектам, которые можно считать их недостатками :

• между моментами квантования система фактически не управляется, это может привести к потере устойчивости;

• при квантовании по времени теряется информация о значениях измеряемых сигналов между моментами квантования;

• квантование по уровню приводит к потере точности, что может вызвать дополнительную ошибку в установившемся режиме и автоколебания.

1. П.Д. Гаврилов., Л.Я. Гимельштейн, А.Е. Медведев. Автоматизация производственных процессов. М: Недра,1985

2. Исаковия Р.Я., Попадько В.Е. Контроль и автоматизация добычи нефти и газа. М.: Недра,1985

Целенаправленное изменение поведения объекта во времени может осуществляться по разомкнутому и замкнутому циклам.

Система управления – это соединение отдельных элементов в определённую конфигурацию, обеспечивающую заданные характеристики. В основе её анализа лежит теория линейных систем, предполагающая наличие причинно-следственных связей между элементами. Процесс или объект управления может быть представлен в виде блока


Связь между входом и выходом - это преобразование одного сигнала (причины) в другой (следствие).

Система, в которой выходной сигнал не подаётся на управляющее устройство, называется разомкнутой.

В разомкнутой системе управления для получения желаемой реакции ОУ обычно используется исполнительное устройство (рис.1.1).


Рис.1.1 Разомкнутая система управления (без обратной связи)

Примером может служить разомкнутая система управления скоростью вращения диска, представленная на рис. 1.2. Во многих современных приборах используется диск, который должен вращаться с постоянной скоростью. В этой системе для задания напряжения, пропорционального желаемой скорости, использована батарея, затем это напряжение усиливается и подаётся на электродвигатель. Электродвигатель постоянного тока, скорость которого пропорционально приложенному напряжению, обеспечивает вращение диска.


Рис. 1.2 Разомкнутая система управления скоростью вращения диска

Система, в которой происходит измерение выходной переменной и сравнение её с заданным значением, называется замкнутой.

Измеренное значение выхода называют сигналом обратной связи.

Простейшая замкнутая система изображена на рис 1.3.


Рис.1.3 Замкнутая система управления (с обратной связью)

В замкнутой системе вычисляется разность (ошибка) между желаемым значением выходной переменной и её измеренным действительным значением.

На рис. 1.4 представлена замкнутая система управления скоростью вращения диска.


Рис. 1.4 Замкнутая система управления скоростью вращения диска

В уже имеющуюся систему необходимо ввести датчик, измеряющий скорость вращения вала двигателя, и устройство для сравнения заданной скорости вращения диска и действительной. Для этих целей удобно использование тахогенератора, выходное напряжение которого пропорционально скорости вращения вала двигателя. Сигнал ошибки образуется как разность между входным напряжением и напряжением тахогенератора. Замкнутая система всегда стремиться свести ошибку к минимуму.

Структурная и функциональная схемы.

При изображении САУ используют структурные и функциональные схемы.

Общая функциональная схема определяет назначение элементов и последовательность их соединения между собой. При составлении функциональной схемы система разбивается на звенья, исходя из выполняемых функций (назначения).

Для получения структурной схемы систему разбивают на возможно простые звенья направленного действия (исходя из удобства математического описания).

Звено направленного действия – это звено, передающее воздействие только в одном направлении со входа на выход, т.е. изменение состояния этого звена не влияет на состояние предшествующего звена, работающего на его вход.

Структурная схема – это схема, где каждой математической операции преобразования сигнала соответствует определённое звено. Структурная схема состоит из прямоугольников, изображающих звенья системы, и стрелок, соединяющих входы и выходы, стрелками показываются также внешние воздействия, приложенные к звеньям. Каждому звену структурной схемы соответствует описывающее его уравнение или характеристика. Получение структурной схемы является конечной целью математического описания системы.

В общем случае одной функциональной схеме может соответствовать несколько различных структурных схем системы в зависимости от полноты математического описания.

При описании САУ можно выделить типовую функциональную схему.


Рис. 1.5 Типовая функциональная схема САУ: 1 – задающее устройство; 2, 5 – сравнивающие устройства; 3 – преобразующее устройство;4, 8 – корректирующие устройства (регулятор); 6 – усилительное устройство; 7 – исполнительное устройство; 9 – чувствительные или измерительные элементы; 10 – элемент главной обратной связи; 11 – объект управления; f(t) – помеха

Функциональное назначение каждого из элементов типовой схемы состоит в следующем. Задающее устройство (1) преобразует входное воздействие в сигнал x(t), удобный для сравнения. Сравнивающее устройство (2) путем сравнения сигнала x(t) и регулируемой величины y(t) вырабатывает сигнал ошибки (t). Преобразующее устройство (3,10) служит для преобразования одной физической величины в другую, более удобную для использования в процессе управления. Корректирующее устройство (4,8) обеспечивают заданные динамические свойства замкнутой системы. Усилительное устройство (6) обеспечивает усиление мощности сигнала ошибки и управления. Исполнительное устройство (7), предназначено для воздействия на управляющий орган. Чувствительные или измерительные элементы (датчики) (9) необходимы для измерения информационных сигналов.

Рассмотрим функциональные схемы разомкнутой и замкнутой системы управления скоростью вращения диска (рис.1.6 и 1.7)

Читайте также: