Замкнутые системы автоматического управления

Разомкнутые и замкнутые системы автоматического управления

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

Состояние объекта управления характеризуется совокупностью физических величин, которые называют также показателями, параметрами, координатами процесса. Например: температура, давление, скорость, ток, напряжение.

Для нормального хода технологического процесса некоторые из его координат – управляемые координаты – необходимо поддерживать постоянными (напряжение генератора, скорость электродвигателя, давление компрессора и др.), либо изменять во времени по заданному закону (скорость подъёмной установки при её пуске и остановке).

Необходимость в управлении значениями координат возникает в том случае, когда нормальный ход процесса нарушается из-за различного рода возмущений, т.е. колебаний нагрузки, воздействий внешней среды или внутренних помех.

Сами машины или устройства во многих случаях не обладают способностью поддерживать постоянство координат или изменять их по заданному закону.

Управление, которое автоматически поддерживает координаты технологического процесса неизменными или изменяет их по заданному закону, называется регулированием.

Система автоматического управления, которая в течение длительного времени автоматически поддерживает координаты технологического процесса неизменными или изменяет их по заданному закону называется системой автоматического регулирования(САР).

Система автоматического регулирования является замкнутой системой, или системой с обратной связью.

Разомкнутые и замкнутые системы автоматического управления

Автоматические системы управления отличаются одна от другой объектами и целями управления, физической природой и конструкциями элементов управляющих устройств. Тем не менее вне зависимости от их различий все системы управления можно разделить на два больших класса – разомкнутые и замкнутые.

На рис. 2.1, а показана функциональная схема разомкнутой САУ.

Рассмотрим назначение и свойства отдельных элементов функциональной схемы:

1. ОУ – объект управления. Это объект, которым управляют: электродвигатель, буровой станок и т. д.

Параметр производственного процесса, которым мы хотим управлять, носит название управляемой или регулируемой величины. Регулируемую величину всегда принимают за выходную величину объекта управления.

Вследствие большого разнообразия управляемых объектов физическая природа регулируемого параметра производственного процесса различна.

Он может представлять собой угловую скорость электродвигателя, температуру, давление и расход жидкости или газа, напряжение генератора и т. д.

На объект управления поступают два входных воздействия: возмущающее f(t ) и управляющее u(t ).

Возмущающее воздействие – это воздействие, которое не зависят от управляющего устройства.

Управляющее воздействие – это воздействие, которое вырабатывается управляющим устройством УУ и поступает непосредственно на вход объекта управления.

Рис. 2.1. Функциональные схемы разомкнутой (а) и замкнутой (б) САУ

2. ИСУ – исполнительное устройство. Оно непосредственно воздействует на объект управления. Выходной величиной исполнительного устройства является управляющее воздействие u(t), поступающее на вход объекта управления. Мощность исполнительного устройства обычно велика, так как оно воздействует непосредственно на объект управления.

3. УПУ – усилительно-преобразовательное устройство. Предназначено для усиления мощности и преобразования сигналов в управляющем устройстве.

4. ЗУ – задающее устройство (задатчик регулируемой величины). Выходной величиной задающего устройства является задающее воздействие (сигнал задания) g(t).

Задающее воздействие g(t) – это воздействие, которое задаёт требуемое значение регулируемой величины.

Энергия, необходимая для установки задающего воздействия, как правило, мала по сравнению с энергией, необходимой для работы исполнительного устройства и объекта управления.

Задающее, усилительно-преобразовательное и исполнительное устройства являются основными элементами управляющего устройства УУ.

Управляющее воздействие u(t) устанавливает заданное значение регулируемой величины. Возмущающее воздействие f(t) вызывает отклонение регулируемой величиныот заданного значения.

Главный недостаток разомкнутых систем – отсутствие информации об объекте управления.

Это может привести к значительному отклонению регулируемой величины от заданного значения при действии возмущающего воздействия и возникновению аварийной ситуации.

Несмотря на указанный недостаток область применения разомкнутых систем управления достаточно велика. Примерами разомкнутых систем являются системы автоматического пуска, остановки и реверсирования машин и механизмов, где не требуется точного регулирования скорости.

Для того чтобы автоматически уменьшить отклонение регулируемой величины от заданного значения при действии на объект управления возмущающего воздействия, необходимо применение замкнутой САУ.

Замкнутая САУ содержит дополнительную связь, по которой результат измерения регулируемой величины передаётся на вход системы управления.

Эта связь называется обратной связью по регулируемой величине, так как направление передачи воздействия в дополнительной связи обратно направлению передачи основного воздействия на объект.

Система управления, имеющая обратную связь по регулируемой величине, называется системой с обратной связью, илизамкнутой системой.

На рис. 2.1, б приведена функциональная схема замкнутой САУ. По сравнению с разомкнутой системой здесь управляющее устройство УУ содержит два дополнительных элемента: измерительное устройство ИЗУ и элемент сравнения ЭС.

Измерительное устройство (датчик) измеряет действительное значение управляемой величины и преобразует его в выходной сигнал, удобный для ввода в систему управления.

Выходной сигнал измерителяназывается сигналом обратной связи по регулируемой величине, а коэффициент пропорциональности kо.с –коэффициентом обратной связи по регулируемой величине.

Сигнал обратной связи y(t) подается на вход элемента сравнения ЭС, где сравнивается с сигналом задания g(t).

Физическая природа сигналов обратной связи и задания должна быть одинакова.

Элемент сравнения служит для определения величины отклонения регулируемой величины от заданного значения. Выходной величиной элемента сравнения является разность e(t ) двух входных сигналов g(t ) и y(t ):

Читайте также:  Электрические цепи с конденсаторами

.

Величина e(t) пропорциональна отклонению регулируемой величины от заданного значения и называется ошибкой регулирования. Ошибка e(t) является источником воздействия на систему.

В этом случае САУ работает таким образом, чтобы уничтожить или свести к минимальному значению отклонение регулируемой величины от заданного значения при действии на объект управления возмущения f(t).

Обратим внимание на то, что в случае замкнутой САУ сигнал обратной связи должен подаваться на вход ЭС со знаком, противоположным знаку сигнала задания g(t). В этом случае обратная связь по регулируемой величине называется отрицательной.

Если сигнал обратной связи подается на вход ЭС с тем же знаком, что и сигнал задания, т.е. складывается с ним, то обратная связь называется положительной.

При подаче на вход ЭС сигнала отрицательной обратной связи (ООС) на схеме рядом с этим входом ставится знак «–» (рис 2.1, б). В случае положительной обратной связи (ПОС) знак «+» может опускаться.

Отрицательнаяобратная связь по регулируемой величине уменьшает ошибку регулирования e при действии на объект управления возмущающего воздействия f.

Положительная обратная связь по регулируемой величине увеличивает ошибку регулирования e при действии на объект управления возмущающего воздействия f.

Только применяя отрицательные обратные связи по регулируемым величинам, возможно решить задачу автоматического регулирования – автоматически поддерживать параметры технологического процесса неизменными или изменять их по заданному закону с требуемой точностью независимо от действия возмущающих воздействий.

В зависимости от характера изменения задающего воздействия во времени все системы автоматического регулирования делятся на три класса – стабилизации, программные и следящие.

Система стабилизации – это такая система, в которой значение задающего воздействия постоянно, не меняется во времени:

Системы стабилизации применяют для поддержания постоянства физических величин, характеризующих состояние объекта управления. Примером системы стабилизации является система регулирования давления компрессорной установки.

Программная автоматическая система – это такая система, в которой задающее воздействие является заранее заданной функцией времени g(t).

Программной системой является автоматическая система управления подъемной установкой, которая должна формировать требуемую диаграмму скорости подъёмного сосуда.

Следящая автоматическая система – это такая система, в которой закон изменения задающего воздействия заранее неизвестен.

Следящие системы используют обычно для перемещения объектов в пространстве.

Управляемой величиной в этом случае является либо расстояние перемещаемого объекта от какой-либо начальной точки, либо угол поворота вращаемого объекта относительно начального положения.

Цель управления в стабилизирующих, программных и следящих системах – это обеспечение равенства или близости регулируемой величины к её заданному значению.

Источник: https://megaobuchalka.ru/3/1544.html

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Cтраница 1

Замкнутая система автоматического управления содержит вычислительное устройство, вырабатывающее дискретные команды. Объект управления представляет собой фильтр нижних частот, на который действует белый шум.  [1]

Замкнутая система автоматического управления может быть представлена несколькими операционными блоками, которые связывают отдельные переменные величины системы, являющиеся функциями времени. Каждый отдельный блок представляется дифференциальным уравнением.  [2]

Замкнутые системы автоматического управления различаются по назначению: системы поддержания постоянства регулируемой переменной, системы программного управления и следящие системы.  [3]

Замкнутые системы автоматического управления работают всегда в реальном масштабе времени и правильность выполнения целевой функции контролируется с помощью обратных связей. По цепям обратной связи в систему управления непрерывно поступают сигналы о необходимости внесения корректировки в ход процесса.  [4]

Замкнутые системы автоматического управления являются более совершенными, чем разомкнутые, но в то же время и более сложными.  [5]

Замкнутыми системами автоматического управления называются системы, имеющие замкнутый цикл управления.  [6]

Примерзамкнутой системы автоматического управления, выполняющей вторую функцию, показан на рис.

1 — 2, где представлен генератор постоянного тока с поддержанием напряжения за счет отрицательной обратной связи по напряжению. При возрастании нагрузки сигнал обратной связи а ВЫх падает, а сигнал и на входе преобразователя П возрастает.  [7]

Примерзамкнутой системы автоматического управления, выполняющей вторую функцию, показан на рис.

1 — 2, где представлен генератор постоянного тока с поддержанием напряжения за счет отрицательной обратной связи по напряжению. Эта обратная связь связывает выходную величину иВЬ1х с входной [ / вх.

При возрастании нагрузки сигнал обратной связи а Вых падает, а сигнал и на входе преобразователя П возрастает.  [8]

Такуюзамкнутую систему автоматического управления называют системой автоматического регулирования.  [9]

Взамкнутых системах автоматического управления ( рис. 18 — 9) или, как их иногда называют, системах автоматического регулирования имеется обратная связь с выхода — на вход.

Действие такой системы основано на сравнении выходной величины со входной ( или с образцовым, заранее установленным значением) и выработке управляющих сигналов, соответствующих результату этого сравнения.

Сравнение входной и выходной величин осуществляется специальным измерительным элементом ИЗ.  [11]

При анализезамкнутых систем автоматического управления, содержащих стохастические нелинейности, неизбежны трудности, обусловленные невозможностью заранее предсказать характер законов распределения координат системы.  [12]

Электрическая и структурные схемы асинхронного двигателя.  [13]

Питание электродвигателя взамкнутой системе автоматического управления производится от индивидуального регулируемого преобразователя. В электроприводах постоянного тока применяют электромашинные ( система Г — Д) и статические преобразователи ( система УРВ-Д и ТП-Д), в электроприводах переменного тока различные преобразователи частоты.  [14]

Читайте также:  Тяговые подстанции

Согласно этому критерию, замкнутая система автоматического управления будет устойчива, если амплитудно-фазовая характеристика разомкнутой системы охватывает т / 2 раз критическую точку ( — 1; / 0) в положительном направлении, где т — число корней характеристического уравнения разомкнутой системы с положительной вещественной частью.  [15]

Страницы:      1    2    3    4

Источник: http://www.ngpedia.ru/id428571p1.html

Замкнутые системы управления

В замкнутой СУЭП (или системе с отрицательной обратной связью) управление U(t) формируется в зависимости от отклонения управляемой переменной у(t) от задающего воздействия x(t).

U(t)=f[x(t)-y(t)]=f[e(t)].

Точность стабилизации координаты оценивается отклонением ее от заданного значения под действием возмущающего воздействия.

Во многих промышленных механизмах системы регулирования предназначены для стабилизации с заданной точностью скорости w и момента М электродвигателя и связанного с ним рабочего механизма при действии на систему различного рода возмущений. Одним из основных возмущающих воздействий, влияние которого должно быть скомпенсировано системой является момент статического сопротивления Мс (t) на валу ЭД.

Регулирование скорости с высокими статическими и динамическими свойствами в настоящее время проектируются с помощью одно- и многоконтурных систем с различными видами обратных связей.

В одноконтурных системах применяются следующие обратные связи: отрицательная по скорости, отрицательная или положительная по току и отрицательная по напряжению;

В двухконтурных системах — сочетание перечисленных обратных связей одноконтурных систем.

По структуре замкнутые СУЭП выполняются трех видов:

— с общим сумматором;

— с независимым регулированием параметров;

— системы подчиненного регулирования.

Система с общим сумматором

Рис. 1

В системе для регулирования параметров используется непрерывное и задержанное (с отсечками) ОС.

Все сигналы суммируются с задающим сигналом Uз на входе усилителя У, который служит для повышения коэффициента усиления системы.

Такие системы обычно используют для регулирования одного параметра (скорости).

Настройка качеств регулирования осуществляется компромиссно для разных параметров. Независимая настройка каждого параметра невозможна.

Система с независимым регулированием

Рис.2

Каждому параметру соответствует свой регулятор Р1 -Рn и свой сигнал задания ( Uз1 …Uзn ) .В такой системе в каждый момент времени регулируется только один параметр. Это обеспечивает логическое переключающее устройство ЛПУ , которое подключает на вход системы выход регулятора воздействие которого в данный момент является определяющим .

Система подчиненного регулирования

Рис. 3

Регулирование параметров осуществляется последовательно. Каждому регулирующему параметру соответствует свой регулятор . Задающий сигнал каждого последующего регулируемого параметра соответствует выходу предыдущего регулятора.

Поэтому регулирование каждой координаты подчинено регулированию предыдущей. Эта система позволяет настраивать каждый параметр отдельно начиная с внутреннего.

Управление U(t) формируется в зависимости как от отклонения e(t), так и от внешних воздействий x(t), f(t).

U(t) = f[e(t), x(t), f(t)]

Комбинированные системы различают по виду используемых внешних воздействий на системы:

— с разомкнутой цепью управления по возмущающему воздействию; (рис.4)

— с разомкнутой цепью управления по задающему воздействию. (рис. 5)

Рис. 4

U(t) = Ue (t) + Uf (t)

Комбинированную СУЭП с разомкнутой цепью по возмущающему воздействию; применяют при действии интенсивной помехи.

Рис. 5

U(t) = Ue (t) + Ux (t)

Комбинированная СУЭП с разомкнутым каналом по управляющему воздействию, применяется для улучшения отработки задания. Улучшенные точность и быстродействие есть результат совместной работы грубой разомкнутой и точной замкнутой систем управления.

Проектирование САУ ЭП с заданными показателями качества

Главное требование к САУ ЭП — обеспечение заданных статических и динамических характеристик, при которых работа ЭП удовлетворяет требования техпроцесса. Основное требование к системе управления — обеспечение допустимого значения ошибки управления e(t) = х(t)-y(t) в установившихся и переходных режимах, что определяется статическими и динамическими характеристиками САУ ЭП.

Статическая характеристика замкнутой СУЭП — зависимость регулируемой переменной от основного возмущающего воздействия f1 при постоянном задающем воздействии X и при отсутствии других возмущающих воздействий. Статическая характеристика может иметь несколько участков разной формы, каждый из которых соответствует определенным структурам и параметрам системы (рис. 6).

Рис. 6

I- участок стабилизации скорости, CУ с отрицательной обратной связью по скорости.

II- участок стабилизации момента, СУ с О.О.С. по моменту сопротивления.

Данная статическая характеристика имеет два участка I и II, каждому из которых соответствует определенная структура СУЭП.

Статизм системы определяет точность работы системы в установившемся режиме.

, где

— статизм, обусловленный задающим воздействием,

— статизм, обусловленный возмущающим воздействием,

X- заданное значение установившейся регулируемой величины,

Y1 — установившееся значение регулируемой величины, соответствующее возмущающему воздействию f1 ,

Yо — установившееся значение регулируемой величины при f1 =0.

Определим, как зависит величина Sx и Sf от параметра К — коэффициент передачи системы.

Рис.7

f1 = 0; eо = Х-Yo ;

Рис. 8

f1 ¹ 0; e1 = X- Y1 ;

учитывая, что Y01 = Y1 + Y1Р , определим:

тогда:

где

Рис. 9

DY1 — падение значения регулируемой переменной в замкнутой системе под действием возмущения f1 (Рис. 9);

DY1Р — падение регулируемой переменой в разомкнутой системе при действии f1 ;

Читайте также:  Режимы работы электродвигателей

Yo — значение регулируемой переменной при f1 =0 по характеристике замкнутой системы;

Y01 — значение регулируемой переменной при f1 =0 по характеристике разомкнутой системы, проходящей через точку (Y1 ;f1 ) характеристики.

Следовательно: величины Sx и Sf обратно пропорциональны величине К, а Sf , кроме этого, зависит от величины задания Х, т.е. максимален на нижнем диапазоне регулирования при Х=Хmin .

Рис. 10

Динамическая характеристика замкнутой СУЭП отражает поведение системы в переходном процессе (п/п) пуска, торможения, регулирования скорости, наброса и сброса нагрузки, т.е. при изменении задающего или возмущающего воздействия. При исследовании системы применяют воздействие в виде скачка: x(t) = X |(t) и f1 (t) = F1 |(t), где |(t)- единичная ступенчатая функция.

Прямые показатели качества :

Рис 11

Быстродействие — продолжительность п/п, т.е. длительность tп/п до условно установившегося значения регулируемой переменной, когда ее отклонение не превышает a (3 ¸ 5% от установившегося значения) т.е.

(Y(t)- Y)/(Y- Yнач ) £ a.

От быстродействия зависят: динамическая ошибка в системе стабилизации при набросе нагрузки, точность в системах следящих и программного управления. Быстродействие системы ограничивается перегрузочной способностью двигателя, di/dt, допустимым ускорением механизма.

Перерегулирование- отклонение величины max превышения регулируемого параметра над установившемся значением к величине приращения ее установившейся величины. Обычно tдоп. £ 18 ¸ 30%, иногда tдоп. = 0 (привода подачи станков).

Число колебаний регулируемой величины за время tп/п — определяет демпфирование колебаний в системе. Обычно число колебаний не более трех для избежания резонанса в ЭП.

Для систем, работающих в режиме пуска торможения, оптимальным по быстродействию будет трапецеидальный график изменения крутящего момента ЭД (при Мс = 0). Время переходного процесса будет минимально, если п/п будет происходить при :

Источник: http://MirZnanii.com/a/189450/zamknutye-sistemy-upravleniya

Замкнутые системы автоматического управления ЭП

С изменением тока двигателя изменяется напряжение преобразователя (ЭДС), поэтому в схеме с обратной связью по напряжению необходимо учитывать токовую составляющую, которая показана в виде положительной обратной связи по току.

Система с обратной связью по напряжению.

П – преобразователь

М – двигатель ПТ.

ОУ1…ОУ3 – обмотки управления и обратных связей.

– напряжение задания (изменяется сигналом)

и– напряжения обратных связей по напряжению и току.

ДН и ДТ – датчики напряжения и тока.

Структурная схема:

– коэффициенты усиления ОУ1

– коэффициенты усиления ОУ2

– коэффициент обратной связи по напряжению

Передаточная функция по задающему воздействию.

Кривые реакции на скачок задания

1 – кривая по передаточной функции

2 – кривая без учёта токовой составляющей

3 – кривая разомкнутой системы

– эквивалентная постоянная времени преобразователя

– эквивалентный коэффициент усиления ОУ1

– эквивалентный коэффициент усиления ОУ2

Выводы:

  1. Введение обратной связи по напряжению ускоряет переходный процесс на начальной стадии, но удлиняет на конечной (колебания).
  2. Обратная связь по напряжению снижает коэффициент усиления и постоянную преобразователя.
  3. Наличие в обратной связи по напряжению токовой составляющей ухудшает демпфирование системы – уменьшается коэффициент при первой производной
  4. Характер переходного процесса определяется в большей степени параметрами двигателя.

Обратная связь по скорости оказывает аналогичное действие.

Назначение:

— управлять электроприводом по заданному закону;

— компенсировать влияние возмущений.

Система автоматического управления (САУ) вырабатывает сигнал управления в зависимости от сигналов датчиков и напряжения двигателя.

Требования к САУ:

  1. Система должна быть устойчивой в установленном режиме, т.е. после изменения управляющего воздействия или исчезновения возмущения должны установиться заданные значения параметров.
  2. Погрешность (ошибка регулирования) в установленном режиме не должна превышать заданной величины.
  3. Система должна обеспечивать необходимое качество производственного процесса.
  4. В электроприводе используются три основных принципа построения САУ

— попеременный;

— параллельный;

— последовательный.

Повышение качества работы САУ достигается введением корректирующих звеньев и связей, а также схемой построения регуляторов.

Параллельная коррекция:

+

— высокое быстродействие;

— простая реализация.

— сложность расчёта;

— трудоёмкость постройки;

— необходимость перерасчёта при изменении одного параметра.

Последовательная коррекция:

+

— удобное ограничение координат

— унифицированные узлы и блоки

— простая наладка

— сложность организация САУ;

— энергоёмкость (источник питания);

— низкая помехозащищённость.

Попеременный принцип – наиболее простой, но не дающий высокого качества регулирования.

Сущность подчиненного регулирования – безынерционная система, отрабатывающая напряжение управления без перерегулирования. Для этого последовательно с объектом необходимо поставить регулятор с W(p) обратной W(p) объекта.

Это невозможно сделать по ряду причин:

  1. Объект содержит несколько Т, перед некоторыми принципиально невозможно поставить регулятор.
  2. Скорость нарастания тока якоряв этом случае должна быть недопустимо большой, что ограничивается коммутационной способностью коллектора двигателя и вызывает недопустимые ударные нагрузки на механизм.

Для отечественных машин допустимо.

  1. Такая система чувствительна к различным помехам, что может привести к ложному открытию теристоров.

Ищется компромиссное решение – максимальное быстродействие при допустимой помехозащищённости.

Строится САУ, состоящая из ряда контуров, число которых равно числу регулируемых координат.

Постоянные времени объекта разбиваются на:

большие – которые должны быть скомпенсированы;

малые – сумма которых не компенсируется.

Источник: https://studlib.info/menedzhment/2870221-zamknutye-sistemy-avtomaticheskogo-upravleniya-yep/

Ссылка на основную публикацию