76406

Теория автоматического управления (ТАУ), Фундаментальные принципы управления

Доклад

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Общие понятия Теория автоматического управления ТАУ появилась во второй половине 19 века сначала как теория регулирования. Это дало начало научным исследованиям в области управления техническими объектами. Поэтому прежнее название Теория автоматического регулирования заменено на более широкое...

Русский

2015-01-30

67.76 KB

5 чел.

1.1. Общие понятия

 Теория автоматического управления (ТАУ) появилась во второй половине 19 века сначала как теория регулирования. Широкое применение паровых машин вызвало потребность в регуляторах, то есть в специальных устройствах, поддерживающих устойчивый режим работы паровой машины. Это дало начало научным исследованиям в области управления техническими объектами. Оказалось, что результаты и выводы данной теории могут быть применимы к управлению объектами различной природы с различными принципами действия. В настоящее время сфера ее влияния расширилась на анализ динамики таких систем, как экономические, социальные и т.п. Поэтому прежнее название “Теория автоматического регулирования” заменено на более широкое - “Теория автоматического управления”.

Управление каким-либо объектом (объект управления будем обозначать ОУ) есть воздействие на него в целях достижения требуемых состояний или процессов. В качестве ОУ может служить самолет, станок, электродвигатель и т.п. Управление объектом с помощью технических средств без участия человека называется автоматическим управлением. Совокупность ОУ и средств автоматического управления называется системой автоматического управления (САУ).

Основной задачей автоматического управления является поддержание определенного закона изменения одной или нескольких физических величин, характеризующих процессы, протекающие в ОУ, без непосредственного участия человека. Эти величины называются управляемыми величинами. Если в качестве ОУ рассматривается хлебопекарная печь, то управляемой величиной будет температура, которая должна изменяться по заданной программе в соответствии с требованиями технологического процесса.

 1.2. Фундаментальные принципы управления

 Принято различать три фундаментальных принципа управления: принцип разомкнутого управления, принцип компенсации, принцип обратной связи.

 1.2.1. Принцип разомкнутого управления

  

Рассмотрим САУ хлебопекарной печи (рис.1). Ее принципиальная схема показывает принцип действия данной конкретной САУ, состоящей из конкретных технических устройств. Принципиальные схемы могут быть электрическими, гидравлическими, кинематическими и т.п.

Технология выпечки требует изменения температуры в печи по заданной программе, в частном случае требуется поддержание постоянной температуры. Для этого надо реостатом регулировать напряжение на нагревательном элементе НЭ. Подобная часть ОУ, с помощью которой можно изменять параметры управляемого процесса называется управляющим органом объекта (УО). Это может быть реостат, вентиль, заслонка и т.п.

Часть ОУ, которая преобразует управляемую величину в пропорциональную ей величину, удобную для использования в САУ, называют чувствительным элементом (ЧЭ). Физическую величину на выходе ЧЭ называют выходной величиной ОУ. Как правило, это электрический сигнал (ток, напряжение) или механическое перемещение. В качестве ЧЭ могут использоваться термопары, тахометры, рычаги, электрические мосты, датчики давления, деформации, положения и т.п. В нашем случае это термопара, на выходе которой формируется напряжение, пропорциональное температуре в печи, подаваемое на измерительный прибор ИП для контроля. Физическую величину на входе управляющего органа ОУ называют входной величиной ОУ.

Управляющее воздействие u(t) - это воздействие, прикладываемое к УО объекта с целью поддержания требуемых значений управляемой величины. Оно формируется устройством управления (УУ). Ядром УУ является исполнительный элемент, в качестве которого может использоваться электрические или поршневые двигатели, мембраны, электромагниты и т.п.

Задающим устройством (ЗУ) называется устройство, задающее программу изменения управляющего воздействия, то есть формирующее задающий сигнал uо(t). В простейшем случае uо(t)=const. ЗУ может быть выполнено в виде отдельного устройства, быть встроенным в УУ или же вообще отсутствовать. В качестве ЗУ может выступать кулачковый механизм, магнитофонная лента, маятник в часах, задающий профиль и т.п. Роль УУ и ЗУ может исполнять человек. Однако это уже не САУ. В нашем примере УУ является кулачковый механизм, перемещающий движок реостата согласно программе, которая задается профилем кулачка.

Рассмотренную САУ можно представить в виде функциональной схемы, элементы которой называются функциональными звеньями. Эти звенья изображаются прямоугольниками, в которых записывается функция преобразования входной величины в выходную (рис.2). Эти величины могут иметь одинаковую или различную природу, например, входное и выходное электрическое напряжение, или электрическое напряжение на входе и скорость механического перемещения на выходе и т.п.

Величина f(t), подаваемая на второй вход звена, называется возмущением. Она отражает влияние на выходную величину y(t) изменений окружающей среды, нагрузки и т.п.

В общем случае функциональное звено может иметь несколько входов и выходов (рис.3). Здесь u1,u2,...,un - входные (управляющие) воздействия; f1,f2,...,fm - возмущающие воздействия; y1,y2,...,yk - выходные величины.

 

Принцип работы функциональных звеньев может быть различным, поэтому функциональная схема не дает представление о принципе действия конкретной САУ, а показывает лишь пути прохождения и способы обработки и преобразования сигналов. Сигнал - это информационное понятие, соответствующее на принципиальной схеме физическим величинам. Пути его прохождения указываются направленными отрезками (рис.4). Точки разветвления сигнала называются узлами. Сигнал определяется лишь формой изменения физической величины, он не имеет ни массы, ни энергии, поэтому в узлах он не делится, и по всем путям от узла идут одинаковые сигналы, равные сигналу, входящему в узел. Суммирование сигналов осуществляется в сумматоре, вычитание - в сравнивающем устройстве.

Рассмотренную САУ хлебопекарной печи можно изобразить функциональной схемой (рис.5). В данной схеме заложен принцип разомкнутого управления, сущность которого состоит в том, что программа управления жестко задана ЗУ; управление не учитывает влияние возмущений на параметры процесса. Примерами систем, работающих по принципу разомкнутого управления, являются часы, магнитофон, компьютер и т.п.

1.2.2. Принцип компенсации

 

Если возмущающий фактор искажает выходную величину до недопустимых пределов, то применяют принцип компенсации (рис.6, КУ - корректирующее устройство).

Пусть yо - значение выходной величины, которое требуется обеспечить согласно программе. На самом деле из-за возмущения f на выходе регистрируется значение y. Величина e = yо - y называется отклонением от заданной величины. Если каким-то образом удается измерить величину f, то можно откорректировать управляющее воздействие u на входе ОУ, суммируя сигнал УУ с корректирующим воздействием, пропорциональным возмущению и компенсирующим его влияние.

Примеры систем компенсации: биметаллический маятник в часах, компенсационная обмотка машины постоянного тока и т.п. На рис.6 в цепи НЭ стоит термосопротивление Rt, величина которого меняется в зависимости от колебаний температуры окружающей среды, корректируя напряжение на НЭ.

Достоинство принципа компенсации: быстрота реакции на возмущения. Он более точен, чем принцип разомкнутого управления. Недостаток: невозможность учета подобным образом всех возможных возмущений.

 1.2.3. Принцип обратной связи

 

Наибольшее распространение в технике получил принцип обратной связи (рис.7). Здесь управляющее воздействие корректируется в зависимости от выходной величины y(t). И уже не важно, какие возмущения действуют на ОУ. Если значение y(t) отклоняется от требуемого, то происходит корректировка сигнала u(t) с целью уменьшения данного отклонения. Связь выхода ОУ с его входом называется главной обратной связью (ОС).

В частном случае (рис.8) ЗУ формирует требуемое значение выходной величины yо(t), которое сравнивается с действительным значением на выходе САУ y(t). Отклонение e = yо-y с выхода сравнивающего устройства подается на вход регулятора Р, объединяющего в себе УУ, УО, ЧЭ.Если e0, то регулятор формирует управляющее воздействие u(t), действующее до тех пор, пока не обеспечится равенство e = 0, или y = yо. Так как на регулятор подается разность сигналов, то такая обратная связь называется отрицательной, в отличие от положительной обратной связи, когда сигналы складываются.

Такое управление в функции отклонения называется регулированием, а подобную САУ называют системой автоматического регулирования (САР). Так на рис.9 изображена упрощенная схема САР хлебопекарной печи. Роль ЗУ здесь выполняет потенциометр, напряжение на котором Uз сравнивается с напряжением на термопаре Uт. Их разность U через усилитель подается на исполнительный двигатель ИД, регулирующий через редуктор положение движка реостата в цепи НЭ. Наличие усилителя говорит о том, что данная САР является системой непрямого регулирования, так как энергия для функций управления берется от посторонних источников питания, в отличие от систем прямого регулирования, в которых энергия берется непосредственно от ОУ, как, например, в САР уровня воды в баке (рис.10).

Недостатком принципа обратной связи является инерционность системы. Поэтому часто применяют комбинацию данного принципа с принципом компенсации, что позволяет объединить достоинства обоих принципов: быстроту реакции на возмущение принципа компенсации и точность регулирования независимо от природы возмущений принципа обратной связи.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

52970. Класична доба української філософії 141.5 KB
  Світова та українська культура. Вкажіть основні риси українського світогляду. Що притаманно для філософської думки Київської Русі Перерахуйте твори часів Київської Русі які відображали світогляд. Що повинні були написати на могильному камені Сковороди Світ ловив мене та не впіймав.
52971. Впорядкування даних, пошук даних за зразком в таблиці. Використання фільтрів для пошуку даних в базі даних 12.72 MB
  Перевірка домашнього завдання. Ми продовжуємо вивчати тему «Бази даних. Система управління базами даних Access». На попередніх уроках ми вчилися проектувати БД, розглядали різні способи створення таблиць, заповнювали таблиці конкретними даними.
52973. TAXATION. WHAT ARE TAXES? 528 KB
  Businesses and individuals are subject to many forms of taxes. The various forms of business organization are not taxed equally. The tax situation is simplest for proprietorships and most partnerships; corporations or companies are treated differently.
52974. Фінікія 55.5 KB
  Мета: визначити час на який припадає поява та розквіт фінікійських міст – держав ознайомитися з господарством Фінікії досягненнями фінікійців у писемності та в інших галузях культури розкрити причини колонізації фінікійців значення колонізації; розвивати інформаційно пізнавальні компетентності вміння самостійної роботи з різними джерелами інформації аналізувати факти та явища робити висновки комунікативні компетентності вміння висловлювати власну думку аргументувати свою позицію представляти дослідження...
52975. Клас Кісткові риби. Загальна характеристика класу. Зовнішня будова риб 383 KB
  Мета: сформувати в учнів знання про клас Кісткові риби; розкрити особливості зовнішньої будови та життєдіяльність представників цього класу у зв’язку з умовами життя; простежити ускладнення будови кісткових риб порівняно з ланцетником і хрящовими рибами;визначити місце кісткових риб у системі органічного світу та еволюції хордових тварин;розвивати уміння самостійно працювати з малюнками та текстом підручника з натуральними об’єктами;вчити порівнювати й робити висновки; розвивати логічне мислення...
52976. Проблемне навчання фізики 64 KB
  Застосування принципу активності в навчанні особливо потрібне в українській школі бо якраз нам треба перебороти ту пасивність що віками вироблялась у нашого народу і розвинути ініціативу та творчі здібності нашої молоді. Предметом особливої уваги кожного педагога має бути використання в роботі таких засобів методів і форм навчання які спрямовані на розвиток критичності та незалежності мислення допитливості винахідливості самостійності тощо. Суттєво підвищити ефективність розвитку інтелектуальноеврестичних здібностей можна лише в...
52977. Княжа Русь-Україна. Київська Русь - держава з центром у Києві 225.5 KB
  Мандруючи разом по маєтку князя Костянтина Острозького ви будете відображати свої емоції на обличчі. Подорож почалася. Маєток князя такий красивий, що кожен наступний крок викликає захоплення. В одному з приміщень розташувалася перша книгодрукарня і тут вже друкують книги, що викликає справжню радість. Тут нам у руки дають потримати Острозьку Біблію і ми справді здивовані, тому що вона нараховує шістсот двадцять вісім сторінок.
52978. ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ КАРБОНОВИХ КИСЛОТ. ДОБУВАННЯ 456.5 KB
  Зміст лекційного матеріалу на тему Карбонові кислоти. Завдання різного рівня складності по темі: Карбонові кислоти. Попередні забезпечуючі Хімія Особливості будови карбонових кислот на прикладі молекули оцтової кислоти та її фізикохімічні властивості. Пояснити роль молочної кислоти у виробництві молочнокислих продуктів.