Теория автоматического управления

         Введение

Курс «Теория автоматического  управления» охватывает вопросы  анализа и синтеза  автоматических  систем  управления  производственными  процессами. Изучение этого курса позволяет студентам получить знания по теоретическим основам  автоматического  управления и практические  навыки  расчета  автоматических систем.

Автоматизация  производственных  процессов  является  одним  из  ведущих направлений технического прогресса, важным фактором повышения эффективности и производительности труда, а также повышения качества выпускаемой продукции  во  всех  сферах  производства.  При  всем  многообразии  автоматических устройств и автоматизированных систем управления и путей автоматизации процессов в различных отраслях промышленности имеются общие теоретические положения, являвшиеся фундаментальным базисом теории автоматического управления. Этим теоретическим основам автоматизации производственных процессов и посвящен настоящий курс.

Курс охватывает широкий  круг вопросов, овладение которыми позволит успешно решать инженерные задачи разработки и эффективной эксплуатации систем автоматического регулирования (АСР), усвоить общие принципы их построения, расчета, математического моделирования, исследования и настройки.

Курсовой проект состоит  из расчетно-пояснительной записки и графического материала, который выполняется в пакете для инженерных расчетов «Mathcad Professional».

Системы управления создаются  для достижения вполне определённых целей. Для того чтобы достичь  заданной цели необходимо определить закон управления каким-либо объектом.

Теория автоматического  управления –  наука  о  методах  определения  этих законов для  объектов, допускающих их реализацию средствами автоматики.       Разновидность  автоматического  управления  представляет  собой  автоматическое регулирование, т.е. поддержание постоянными каких-либо величин, характеризующих процесс, или изменение этих величин по определённым законам.

В теории автоматического  регулирования основными являются проблемы: устойчивости, качества переходных процессов, статической и динамической точности, автоколебаний, оптимизации, синтеза и отождествления (идентификации).

Задачи общей теории автоматического регулирования  заключаются в решении вышеперечисленных  проблем. При поиске решений используются:

1  Методы анализа устойчивости замкнутых САР 

2  Методы оценки  качественных показателей САР  

3  Методы повышения  точности САР  

4  Методы коррекции  динамических свойств САР  

5  Методы синтеза  САР  

Разработка методов  решения прикладных инженерных задач, стоящих при проектировании САР есть глобальная цель теории систем автоматического регулирования.

Объект управления –  место протекания рабочего процесса.

Управление  –  процесс  организации  такого  целенаправленного  воздействия на объект, в результате которого объект переходит в требуемое состояние.

Система автоматического  управления – совокупность объекта  управления и  управляющего  устройства,  взаимодействие  которых  приводит  к  выполнению поставленной цели.

Автоматическими называются устройства, которые управляют различными процессами и контролируют их без непосредственного вмешательства человека.

Автоматизация – процесс  совершенствование производства, характеризуемый, прежде всего уменьшением потока информации от человека к машине и повышением самостоятельности различных уровней и звеньев.

Автоматизированной  называется  такая  система  управления,  если  часть операций управления выполняется человеком, а остальные  машиной.

Система – совокупность элементов или устройств, находящихся  в отношениях и связях между собой и образующих определённую целостность, единство.

Элементы системы –  простейшая неделимая часть системы.

Структура системы –  совокупность элементов и связей между ними, определяемую исходя из распределения функций и целей, поставленных перед системой.

Свойства системы –  качества, позволяющие описывать  систему и выделять её среди других систем.

Состояние системы –  множество существенных свойств, которыми она обладает в данный момент времени.

Регулируемые параметры (регулируемые величины) – параметры процесса, подлежащие стабилизации или заданным изменениям.

Регулирующей величиной  называется физическая величина, с  помощью которой осуществляется воздействие на объект управления (например, количество подаваемого в объект сырья, топлива, воздуха и т.п.).

Управляющее воздействие  это изменение регулирующей величины.

Регулирующий орган  – устройство, предназначенное для  изменения регулирующей величины (например, вентили, заслонки, ножи тарельчатых  питателей и т.п.).

Возмущения – это  воздействие некоторых величин, не относящихся на прямую к рабочему процессу, но определяющие условия, в которых протекает рабочий процесс (обычно воздействие окружающей среды).

Рассогласование – разность  между  требуемым  и  фактическим  значениями регулируемой величины.

 

 

 

 

Общая задача управления технологическим процессом –  это минимизация (максимизация) некоторого критерия (себестоимость, затраты энергии и т.д.) при выполнении ограничений на технологические параметры, накладываемых регламентом. Решение этой задачи для всего процесса в целом затруднительно (много влияющих факторов), весь технологический процесс следует разбить на отдельные участки, причем, обычно участок соответствует законченной технологической операции, имеющей свою подзадачу, например, обработка молока.  Технологические процессы одного типа (например, процессы нагрева) могут отличаться исполнением аппаратуры, физико – химические свойствами участвующих в них потоков сырья и т.д. Однако они все протекают по одним и тем же законам  и  подчиняются  общим закономерностям.  Характер    этих  закономерностей в первую очередь определяется тем, какой параметр участвует в управлении.  К числу типовых технологических параметров, подлежащих контролю и регулированию, относят расход, уровень, давление, температуру и ряд показателей качества. Регулирование  расхода.  Системы  регулирования  расхода  характеризуются малой  инерционностью  и  частотой  пульсации  параметра.  Обычно  управление расходом – это дросселирование потока вещества с помощью клапана или шибера; изменение напора в трубопроводе за счет изменения частоты вращения привода насоса или степени байнапсирования (отведения части потока через дополнительные каналы). Выбор закона регулирования зависит от требуемого качества стабилизации параметра. Регулирования уровня. Системы регулирования уровня имеют те же особенности, что и системы регулирования расхода. Постоянство уровня свидетельствует о равенстве количеств подаваемой и расходуемой жидкости. Это условие может быть обеспечено воздействием на подачу или расход жидкости. Выбор закона регулирования  также    зависит  от  требуемого  качества  стабилизации  параметра. При этом возможно использование не только пропорциональных, но также и позиционных регуляторов.  

 Регулирование давления. Постоянство давления, как и постоянство уровня, свидетельствует о материальном балансе объекта.  Способы регулирования давления аналогичны способам регулирования уровня. 

Регулирование  температуры.  Температура  –  показатель  термодинамического состояния системы. Динамические характеристики системы регулирования температуры зависят от физико – химических параметров процесса и конструкции аппарата.  Особенность  такой  системы –  значительная  инерционность объекта  и нередко  измерительного  преобразователя.  Выбор  закона  регулирования  зависит от  инерционности  объекта:  чем  она  больше,  тем  закон  регулирования  сложнее.

Постоянная  времени  измерительного  преобразователя  может  быть  снижена  за счет увеличения скорости движения теплоносителя, уменьшения толщины стенок защитного чехла (гильзы) и т.д.

Регулирование состава  или качества продукта. При регулировании  состава или качества продукта возможна ситуация, когда параметр (например, влажность зерна)  измеряют  дискретно.  В  этой  ситуации  неизбежны  потеря  информации  и снижение точности динамического процесса регулирования. В этом случае рекомендуется  стабилизировать  некоторый  промежуточный  параметр  y(t),  значение которого  зависит  от  основного  регулируемого  параметра  –  показателя  качества продукта y(ti).

Объект управления реализует  процесс, который необходимо организовать для достижений поставленных целей. В теории управления объект рассматривается как преобразователь переменных входа u(t), f(t) в переменную выхода y(t), как это показано на рисунке 1. 

 

                                                                                     f

                                                        u                                                            y

 

Рисунок 1 – Структурная схема объекта управления

Цель  управления,  в  первую  очередь,  определяет  ограничения на  переменную выхода объекта y(t). Неконтролируемые воздействия  среды f(t), называемые возмущениями,  вызывают  нежелательные  отклонения  выхода  объекта.  Для уменьшения этих отклонений на объект оказывают соответствующие управляющие воздействия u(t).Теория управления изучает общие закономерности, присущие системам управления, независимо от их природы. Объекты управления могут быть техническими, экономическими, биологическими, социальными, военными и др. 

Задача состоит в  том, какой из входных параметров (каналов) следует выбирать. При выборе нужного канала управления исходят  из следующих соображений:

 Из всех возможных  регулирующих воздействий выбирают  такой по-ток вещества или энергии, подаваемый в объект или отводимый из него, минимальное  изменение  которого  вызывает  максимальное  изменение  регулируемой величины,  т.  е.  коэффициент  усиления  по  выбранному  каналу  должен  быть  по возможности максимальным. Тогда, по данному каналу, можно обеспечить более точное регулирование.

 Диапазон  допустимого   изменения  управляющего  сигнала   должен 

быть достаточен для  полной компенсации максимально  возможных возмущений, возникающих  в  данном  технологическом  процессе,  т.  е.  должен  быть  запас  по мощности управления в данном канале.

  Выбранный канал  должен иметь благоприятные динамические  свойства, т. е. запаздывание τ  и отношение τ /T , где T - постоянная времени объекта, должны быть, возможно, меньшими. Кроме того, изменение статических и динамических параметров объекта по выбранному каналу при изменении нагрузки или во времени должны быть незначительными.

  Выбранный канал  регулирования должен быть согласован  с технологическим регламентом ведения процесса.

 Выбран одномерный  объект, проблема выбора канала регулирования не ставится.

            2.1 Определение экспериментальных данных

Проведение  эксперимента  начинают  с  установки  на  объекте  выбранного режима работы, который характеризуется постоянством выходной переменной и всех влияющих на нее переменных. Установившийся  режим работы  при заранее выбранном значении  выходной переменной  xвых0 выдерживают 2,0—2,5 мин для медленно протекающих процессов, связанных, например, с изменением температуры или влажности, и 0,3—0,5 мин — для более быстро протекающих процессов, таких, например, как изменение давления или расхода.

Затем как можно быстрее  вводят испытательное воздействие  и одновременно  начинают  регистрировать  изменение  выходной  переменной  во  времени.  Для дальнейшей оценки вида испытательного воздействия необходимо также определить время его внесения. Помимо регистрации выходной переменной в процессе эксперимента  желательно,  если  это  возможно,  записывать  изменения  основных возмущающих переменных и, в первую очередь, нагрузки объекта.

Окончание переходного процесса определяется по значению выходной переменной. При  экспериментальном определении  переходной функции на объектах с  самовыравниванием (ρ>0) опыт считается законченным, если выходная переменная, начиная с некоторого момента времени, остается практически неизменной, а на объектах без самовыравнивания (ρ = 0) если скорость изменения переменной  достигает  своего  постоянного  максимального  значения  (рисунок  3,  а).

При снятии импульсных характеристик  эксперимент прекращают, когда выходная переменная  достигнет  своего  первоначального  значения  на  объектах

с  самовыравниванием  или перестанет изменяться на объектах без самовыравнивания (рисунок 3, б).                       

Рисунок 3 -   Динамические  характеристики:   а — переходные;

                                    б — импульсные    

 

Рассмотрим синтез автоматической системы регулирования технологическим параметром на примере данных курсового проекта.

На  рисунке 4  представлен график  скачкообразного воздействия на  объект управления. Для построения графика  использована программа MathCad.                                                                                             

                                       

                                                    

                              Z – изменение входной величины

                               X – концентрация

 Рисунок 4 – График скачкообразного изменения входного воздействия

    После чего значения изменения выходной величины y(t) – концентрации изобутилена  метаноле - заносят в таблицу 2:

Таблица 2 - Экспериментальные данные  для построения переходной  функции  объекта управления

 

Время,мин	0	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
Входное ступенчатое Воздействие,м/час	1	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2
Изменение выходной величины, %	12	12	12,5	13	14	15,5	17,5	19,8	22,5	23,5	24,5	25	25	25

По данным таблицы 2 строится экспериментальная  переходная функция объекта управления y(t) в программе MathCad.                    

    Рисунок 5 – получение переходной функции объекта управления y(t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

      2.2 Определение параметров передаточной функции объекта

          управления

Определение  динамических  параметров  объекта  по  его  экспериментально снятой переходной функции производят графическими или графоаналитическими методами.