Автоматическое регулирование и управление

1.3. Основные законы управления

Если вернуться к последнему рисунку (структурная схема САУ на рис. 1.2.3), то необходимо “расшифровать” роль, которую играет усилительно-преобразующее устройство (какие функции оно выполняет).

Если усилительно-преобразующее устройство (УПУ) выполняет только усиление (или ослабление) сигнала рассогласования ε(t), а именно: , где – коэффициент пропорциональности (в частном случае = Const), то такой режим управления замкнутой САУ называется режимом пропорционального управления (П-управление).

Если УПУ выполняет формирование выходного сигнала ε1(t), пропорционального ошибке ε(t) и интегралу от ε(t), т.е. , то такой режим управления называется пропорционально-интегрирующим (ПИ-управление). ==> , где b – коэффициент пропорциональности (в частном случае b = Const).

Обычно ПИ-управление используется для повышения точности управления (регулирования).

Если УПУ формирует выходной сигнал ε1(t), пропорциональный ошибке ε(t) и ее производной, то такой режим называется пропорционально-дифференцирующим (ПД-управление): ==>

Обычно использование ПД-управления повышает быстродействие САУ

Если УПУ формирует выходной сигнал ε1(t), пропорциональный ошибке ε(t), ее производной, и интегралу от ошибки ==> , то такой режим называетсято такой режим управления называется пропорционально-интегрально-дифференцирующим режимом управления (ПИД-управление).

ПИД-управление позволяет зачастую обеспечить “хорошую” точность управления при “хорошем” быстродействии

Что для обычного человека значит термин «автоматика» ?

Современный уровень прогресса неразрывно связан с автоматикой – точной научной дисциплиной, предметом изучения которой являются методы и средства, направленные на частичное или полное исключение человеческого фактора из управления техническими объектами и процессами. В более узком понимании автоматика определяется как совокупность устройств и механизмов, функционирующих без непосредственного участия человека.

Автоматика как наука базируется на теории автоматического управления, в рамках которой исследуются свойства систем автоматизированного управления и разрабатываются теоретические основы их построения и расчета.

Компания Р2С специализируется на разработке решений в области автоматизации силовых установок, вентиляционного оборудования, систем отопления и т.п. Наши инженеры готовы ответить на любые ваши вопросы – обращайтесь с радостью поможем!

Основные понятия автоматики:

  • Технический объект – любая машина, прибор, система;
  • Управление – воздействие на управляемый объект (объект управления) с целью изменения его свойств;
  • Объект управления – технический объект, подлежащий автоматическому управлению;
  • Автоматическое управляющее устройство – техническое устройство, осуществляющее воздействие на объект управления в соответствии с выбранным алгоритмом управления;
  • Автоматический процесс – процесс, осуществляемый без участия человека;
  • Система автоматического управления – совокупное взаимодействие управляющего устройства и объекта управления.

Принцип функционирования системы автоматического управления

Любое автоматическое управляющее устройство включает в себя комплекс отдельных взаимосвязанных элементов, решающих задачу преобразования и последующей передачи энергии, получаемой из окружающей среды или от предыдущего элемента.

Элементы автоматики – это законченные конструктивные устройства, самостоятельно выполняющие функции преобразования сигнала в системах автоматического управления. В качестве сигналов обычно выступают механические или электрические величины: давление жидкости или сжатого газа, напряжение, постоянный ток и другие.

Сигналы могут возникать как следствие протекающих в ходе управления процессов и выражаться в изменении напряжения, силы тока, температуры, давления и других показателей либо вырабатываться чувствительными элементами (датчиками).

Результатом будет являться заранее запрограммированное в системе действие элементов автоматизации.

Сигнал подлежит обработке посредством преобразования по следующим параметрам:

  • Значению энергии (усиление);
  • Виду энергии (неэлектрический сигнал преобразуется в электрический);
  • По виду (дискретный сигнал преобразуется в непрерывный);
  • По форме (сигнал переменного тока преобразуется в сигнал постоянного тока).

Обработанный сигнал подается на автоматическое управляющее устройство, которое в соответствии с заданным алгоритмом работы осуществляет воздействие на объект управления.

Сертификация изделий автоматики

Все автоматические устройства подлежат обязательной или добровольной сертификации – процедуре проверки на соответствие заявленным характеристикам, результаты которой отображаются в существующих нормативных документах.

Обязательными являются следующие виды документов:

  • Сертификат соответствия ГОСТ Р;
  • Декларация о соответствии;
  • Сертификат пожарной безопасности;
  • Сертификат соответствия техническому регламенту;
  • Декларация на технический регламент.

В настоящий момент ситуация с прохождением сертификации в Российской Федерации несколько усложнена вследствие проведения реформы технического регулирования и скорым вступлением в силу наднациональных технических регламентов, связанных с развитием Таможенного союза.

Ведущие производители средств автоматизации

Среди лидеров рынка средств автоматизации можно выделить следующие компании:

Российские производители: компания ОВЕН, ЗАО «ЭКСПОТРОНИКА», НПП «ЭЛЕМЕР», ЗАО «Модульные системы торнадо», НПФ «АГРОСТРОЙ», ОАО «Электромеханика».

Зарубежные производители: Rockwell Automation, Emerson Process Honeywell, Siemens Industry, ABB, Invensys, Yokogawa.

История развития автоматического регулирования

Даты изобретения первых регулирующих устройств, так же как и имена их изобретателей, не установлены. Например, поплавковый регулятор уровня водяных часов, основанный на принципе регулирования по отклонению, был известен арабам ещё в начале н. э. На мукомольных мельницах в средние века применялись центробежные маятники для регулирования частоты вращения жерновов. Однако первыми регуляторами, получившими широкое практическое применение в промышленности, стали регулятор питания котла паровой машины И. И. Ползунова () и центробежный регулятор частоты вращения паровой машины Дж. Уатта (1784).

Первые регуляторы осуществляли прямое регулирование, при котором измерительный орган непосредственно воздействовал на регулирующий орган. Такое Р. а. было возможно только на машинах малой мощности, где для перемещения регулирующих органов (рычага, колеса) не требовалось больших затрат энергии. В 1873 французский инженер Ж. Фарко впервые осуществил непрямое Р. а., введя в цепь регулирования усилитель — гидравлический сервомотор с жёсткой обратной связью. Это дало возможность не только повысить мощность воздействия регулятора, но и получить более гибкие алгоритмы Р. а. В 1884 появился регулятор непрямого действия с дополнительной релейной обратной связью, действовавшей до тех пор, пока отклонение было отлично от нуля. Затем релейная связь была заменена непрерывной дифференциальной связью, получившей название изодромной.

Со 2-й половины 19 в. Р. а. применяется в самых различных технических устройствах— паровых котлах, компрессорных установках, электрических машинах и др. К этому же периоду относится и становление науки о Р. а. В статье Дж. К. Максвелла «О регулировании» () впервые рассмотрена математическая задача об устойчивости линейной CAP. Трудом И. А. Вышнеградского «О регуляторах прямого действия» (1877) заложена основа ТАР как новой научно-технической дисциплины. Дальнейшее её развитие и систематическое изложение дано А. Стодолой, Я. И. Грдиной и Н. Е. Жуковским.

Новый этап в развитии Р. а. наступил с применением в регуляторах электронных элементов, в частности вычислительных устройств, что существенно расширило возможность усовершенствования алгоритмов регулирования введением воздействий по высшим производным, интегралам и более сложным функциям. Преимущества электронных регуляторов особенно проявились в самонастраивающихся системах, первыми из которых были экстремальные регуляторы: регулятор топки парового котла (1926), электрический регулятор кпд (1940), авиационные регуляторы (1944). Однако подобные регуляторы применяют лишь в простейших случаях, например для поддержания экстремума функции одной переменной. В более сложных САР целесообразно разделить систему регулирования на две части: вычислительное устройство, определяющее оптимальную настройку регулятора, и собственно регулятор. В сложных системах управления Р. а. используется лишь на низшей ступени иерархического управления — регуляторы воздействуют непосредственно на управляемый объект, являясь исполнителями команд ЭВМ (или операторов), находящихся на более высоких ступенях управления.

Литература:

  • Теория автоматического регулирования, под ред. В. В. Солодовникова, книга 1—3, М., 1967—69;
  • Воронов А. А., Основы теории автоматического управления, ч. 1—3, М. — Л., 1965—70;
  • Заде Л., Дезоер Ч., Теория линейных систем. Метод пространства состояний, пер. с англ., М., 1970;
  • Бесекерский В. А., Попов Е, П., Теория систем автоматического регулирования, М., 1972;
  • Сю Д., Мейер А., Современная теория автоматического управления и её применение, пер. с англ., М., 1972;
  • Основы автоматического управления, под ред. В. С. Пугачева, 3 изд., М., 1974.

А. А. Воронов.

Эта статья или раздел использует текст Большой советской энциклопедии.

Технологические процессы и переменные процесса

Для нормального выполнения технологических процессов необходимо контролировать физические условия их протекания. Такие физические параметры, как температура, давление, уровень и расход могут изменяться по многим причинам, и их изменения влияют на технологический процесс. Эти изменяемые физические условия называются «переменными процесса».

Некоторые из них могут понизить эффективность производства и увеличить производственные затраты. Задачей системы автоматического регулирования является минимизация производственных потерь и затрат на регулирование, связанных с произвольным изменением переменных процесса.

На любом производстве осуществляется воздействие на сырьё и другие исходные компоненты для получения целевого продукта. Эффективность и экономичность работы любого производства зависит от того, как технологические процессы и переменные процесса управляются посредством специальных систем регулирования.

На тепловой электростанции, работающей на угле, уголь размалывается и затем сжигается, чтобы произвести тепло, необходимое для преобразования воды в пар. Пар может использоваться по множеству назначений: для работы паровых турбин, тепловой обработки или сушки сырых материалов. Ряд операций, которые эти материалы и вещества проходят, называется «технологическим процессом». Слово «процесс» также часто используется по отношению к индивидуальным операциям. Например, операция по размолу угля или превращения воды в пар могла бы называться процессом.

Методы автоматического регулирования

Системы автоматического регулирования могут создаваться на основе двух основных методов регулирования: регулирования с обратной связью, которое работает путем исправления отклонений переменной процесса после того, как они произошли; и с воздействием по возмущению, которое предотвращает возникновение отклонений переменной процесса.

Регулирование с обратной связью

Регулирование с обратной связью — это такой способ автоматического регулирования, когда измеренное значение переменной процесса сравнивается с ее уставкой срабатывания и предпринимаются действия для исправления любого отклонения переменной от заданного значения.

Система ручного регулирования с обратной связью

Основным недостатком системы регулирования с обратной связью является то, что она не начинает регулировки процесса до тех пор, пока не произойдет отклонение регулируемой переменной процесса от значения ее уставки.

Температура должна измениться, прежде чем регулирующая система начнет открывать или закрывать управляющий клапан на линии пара. В большинстве систем регулирования такой тип регулирующего действия приемлем и заложен в конструкцию системы.

В некоторых промышленных процессах, таких как изготовление лекарственных препаратов, нельзя допустить отклонение переменной процесса от значения уставки. Любое отклонение может привести к потере продукта. В этом случае необходима система регулирования, которая бы предвосхищала изменения процесса. Такой упреждающий тип регулирования обеспечивается системой регулирования с воздействием по возмущению.

Регулирование с воздействием по возмущению

Регулирование по возмущению — это регулирование с опережением, потому что прогнозируется ожидаемое изменение в регулируемой переменной и принимаются меры прежде, чем это изменение происходит.

Это фундаментальное различие между регулированием с воздействием по возмущению и регулированием с обратной связью. Контур регулирования с воздействием по возмущению пытается нейтрализовать возмущение прежде, чем оно изменит регулируемую переменную, в то время, как контур регулирования с обратной связью пытается отрабатывать возмущение после того, как оно воздействует на регулируемую переменную.

Система регулирования с воздействием по возмущению

Система регулирования с воздействием по возмущению имеет очевидное преимущество перед системой регулирования с обратной связью. При регулировании по возмущению в идеальном случае величина регулируемой переменной не изменяется, она остается на значении ее уставки. Но ручное регулирование по возмущению требует более сложного понимания того влияния, которое возмущение окажет на регулируемую переменную, а также использования более сложных и точных приборов.

На заводе редко можно встретить чистую систему регулирования по возмущению. Когда используется система регулирования по возмущению, она обычно сочетается с системой регулирования с обратной связью. И даже в этом случае регулирование по возмущению предназначается только для более ответственных операций, которые требуют очень точного регулирования.

Устройство — автоматическое регулирование

Устройства автоматического регулирования, дистанционного и логического управления запорными и регулирующими органами и механизмами, технологических защит, технологической сигнализации, блокировки, средства измерений теплотехнических, электрических, физических, дозиметрических, радиометрических, химических и механических параметров, информационные и управляющие вычислительные системы ( ИУВС) постоянно должны быть в эксплуатации ( в проектном объеме) при работе оборудования.

Схематическое изображение системы автоматического регулирования.

Устройства автоматического регулирования управляют непрерывным технологическим процессом, поддерживая на заданном значении технологические параметры.

Устройство автоматического регулирования ( регулятор) температуры состоит из датчика действительной температуры печи ( ДТ), задатчика требуемой температуры ( ЗТ), измерительной части ( ИЧ), регулирующего ( РЭ) и исполнительного ( ИЭ) элементов.

Устройства автоматического регулирования ( автоматические регуляторы) поддерживают определенный режим работы оборудования в соответствии с заданной программой или уставкой.

Устройства автоматического регулирования предназначены для изменения управляемого процесса по заранее определенному закону. Производственный процесс, происходящий в регулируемом объекте, характеризуется одной или несколькими величинами. Некоторые из них в ходе процесса должны поддерживаться постоянными, другие изменяться го заданному закону. Эти задачи и выполняют устройства автоматического регулирования.

Устройства автоматического регулирования и управления осуществляют регулирование и управление установками или процессами в заданном режиме либо автоматически изменяют режим работы по определенному закону. Большинство технологических процессов из-за сложности оборудования, высоких значений параметров ( температуры, давления), токсичности, взрыво — или пожароопасности, величины агрегатов и по другим причинам не могут управляться вручную. Здесь на помощь приходят простые или сложные устройства автоматизации.

Устройства автоматического регулирования и безопасности могут применяться как совместно, так и раздельно.

Устройства автоматического регулирования должны обеспечивать поддержание заданного температурного режима в системе охлаждения и смазки, независимо от нагрузки и колебаний внешних температурных условий. Оптимальный режим по температуре, выходящей из двигателя воды лежит в пределах: 75 — 90 С — для замкнутых систем; 50 — 55 С — для разомкнутых систем при работе на жесткой пресной или морской воде.

Устройства автоматического регулирования и безопасности могут применяться как совместно, так и раздельно.

Устройства автоматического регулирования обеспечивают поддержание требуемого режима работы без непосредственного участия человека. Агрегат, режим работы которого регулируется, называют регулируемым объектом, а параметр, изменяющийся по заданному закону, — регулируемым параметром.

Устройства автоматического регулирования обеспечивают поддержание требуемого режима работы без непосредственного участия человека. Агрегат, режим работы которого регулируется, называют регулируемым объектом, а параметр, изменяющийся по заданному закону, — регулируемым параметром.

Устройства автоматического регулирования обеспечивают стабильней гидравлический и тепловой режимы систем централизованного теплоснаб.

Устройства автоматического регулирования во многих случаях выбирают одновременно с основным оборудованием ( компрессорами, охлаждающими батареями и др.) и сравнивают варианты в целом.

Устройства автоматического регулирования в данном курсе будут рассматриваться только как некоторые звенья системы, преобразующие параметры режима в величины, воздействующие на другие элементы системы, и этим воздействием меняющие ее режим.

1.2. Структура систем управления: простые и многомерные системы

В теории управления техническими системами часто бывает удобно систему разделить на набор звеньев, соединенных в сетевые структуры. В простейшем случае система содержит одно звено, на вход которого подается входной воздействие (вход), на входе получается отклик системы (выход).

В теории Управления Техническими Системам используют 2 основных способа представления звеньев систем управления:

— в переменных “вход-выход”;

— в переменных состояния (более подробно см. разделы 6…7).

Представление в переменных “вход-выход” обычно используется для описания относительно простых систем, имеющих один “вход” (одно управляющее воздействие) и один “выход” (одна регулируемая величина, см. рисунок 1.2.1).

Рис. 1.2.1 – Схематическое представление простой системы управления

Обычно такое описание используется для технически несложных САУ (систем автоматического управления).

В последнее время широкое распространение имеет представление в переменных состояния, особенно для технически сложных систем, в том числе и для многомерных САУ. На рис. 1.2.2 приведено схематичное представление многомерной системы автоматического управления, где u1(t)…um(t) — управляющие воздействия (вектор управления), y1(t)…yp(t) — регулируемые параметры САУ (вектор выхода).

Рис. 1.2.2 — Схематическое представление многомерной системы управленияя

Рассмотрим более детально структуру САУ, представленную в переменных “вход-выход” и имеющую один вход (входное или задающее, или управляющее воздействие) и один выход (выходное воздействие или управляемая (или регулируемая) переменная).

Предположим, что структурная схема такой САУ состоит из некоторого числа элементов (звеньев). Группируя звенья по функциональному принципу (что звенья делают), структурную схему САУ можно привести к следующему типовому виду:

Рис. 1.2.3 — Структурная схема системы автоматического управления

Символом ε(t) или переменной ε(t) обозначается рассогласование (ошибка) на выходе сравнивающего устройства, которое может “работать” в режиме как простых сравнительных арифметических операций (чаще всего вычитание, реже сложение), так и более сложных сравнительных операций (процедур).

Так как y1(t) = y(t)*k1, где k1 — коэффициент усиления, то ==> ε(t) = x(t) — y1(t) = x(t) — k1*y(t)

Задача системы управления состоит в том (если она устойчива), чтобы “работать” на уничтожение рассогласования (ошибки) ε(t), т.е. ==> ε(t) → 0.

Следует отметить, что на систему управления действуют как внешние воздействия (управляющее, возмущающее, помехи), так и внутренние помехи. Помеха отличается от воздействия стохастичностью (случайностью) своего существования, тогда как воздействие почти всегда детерминировано.

Для обозначения управляющего (задающего воздействие) будем использовать либо x(t), либо u(t).

Система — прямое регулирование

Системы прямого регулирования являются простейшими системами. Не во всех, однако, случаях удается обеспечить заданный процесс регулирования, необходимую точность поддержания параметра в пределах схемы прямого регулирования. Зачастую исполнительное устройство должно развивать большое усилие для перестановки регулирующего органа. В таких случаях, чтобы обеспечить реализацию этого усилия, необходимо выбрать мощный измерительный орган.

Система прямого регулирования всегда может быть сделана устойчивой выбором Гк, и следовательно, плоскость Гй обязательно должна содержать область устойчивости.

Система прямого регулирования ( рис. 2 и 121) состоит из двух элементов: самого регулируемого объекта и автоматического регулятора прямого действия, воздействующего непосредственно на орган управления объектом.

Система прямого регулирования, измеритель которой имеет пренебрежимо малую массу, но существенное вязкое трение.

Системами прямого регулирования называются такие системы регулирования, у которых датчик воздействует непосредственно на изменение положения регулирующего органа. Регуляторы в этих системах называются регуляторами прямого действия.

Системами прямого регулирования называются системы, в которых регулирующий орган перемещается непосредственно чувствительным элементом системы. Дополнительные источники энергии в таких системах отсутствуют; вся энергия, необходимая для перемещения регулирующего органа, доставляется чувствительным элементом.

Примерами систем прямого регулирования могут быть приведенные ьыше системы регулирования уровня, скорости вращения двигателя и регулирования давления газа в резервуаре.

Система регулирования прямого действия.

Достоинством систем прямого регулирования является простота и надежность. Они, как правило, органично вписываются в конструкцию управляемых объектов, не требуя посторонних источников энергии. Недостатком этих систем является невысокая точность при необходимости обеспечивать большие усилия для перемещения управляющих органов. Например, при стабилизации уровня жидкости в большом резервуаре с помощью регулятора прямого действия пришлось бы сильно увеличивать объем поплавка. Для точного регулирования частоты вращения паровой машины большой мощности, пар в которую подается через регулирующий клапан с большим усилием перестановки штока, необходимо увеличивать вращающиеся массы центробежного датчика, что приводит к ухудшению качества переходных процессов.

Простота систем прямого регулирования, выражающаяся в небольшом числе элементов и связей, определяет их высокую надежность в работе. Однако в ряде случаев применение системы прямого регулирования может привести к существенному ухудшению показателей автоматического регулирования объекта, а иногда ее применение вообще невозможно.

Недостаток системы прямого регулирования также в том, что всегда имеющаяся в таких системах обратная реакция z ( f) реагирующего элемента на чувствительный элемент ( пунктир на рис. 1.24, а) снижает чувствительность последнего, что ухудшает качество и точность регулирования.

Рассмотрим систему прямого регулирования с идеальными измерителями угловой скорости и углового ускорения.

Исследуем систему прямого регулирования, имея в виду конический регулятор, при движении которого не возникают силы постоянного трения.

Схемы систем прямого ( а и непрямого ( б регулирования напряжения на сварочном генераторе.

В системах прямого регулирования чувствительный элемент ( датчик) непосредственно воздействуя на РО, сам поставляет ему необходимую энергию. Прямое регулирование возможно только тогда, когда датчик сам достаточно мощный.