Замкнутые системы автоматического управления

Замкнутые системы автоматического управления (САУ) отличаются от разомкнутых применяемой аппаратурой и полнотой автоматизации. В разомкнутой САУ задающее устройство (включающая, регулирующая аппаратура) не получает информацию о фактическом режиме работы электроустановки (приводного электродвигателя, рабочей машины).

В замкнутой САУ информация передается на элементы управления, что сопровождается подачей соответствующих командных сигналов. Цепочка, передающая такую информацию, замыкает контур управления, образуя замкнутую САУ, или САУ с обратными связями.

Различие между замкнутой и разомкнутой САУ можно пояснить па примере регулирования скорости электродвигателя в системе генератор — двигатель (Г—Д). В разомкнутой САУ (рис. 1,а) заданная скорость электродвигателя устанавливается вручную потенциометром П. Контроль скорости осуществляется визуально по тахометру, получающему питание от тахогенератора ТГ. Всякое отклонение скорости от заданной оператор устраняет воздействием на движок потенциометра.

В замкнутой САУ (рис. 1,б) якорь тахогенератора ТГ включен в цепь обмотки возбуждения генератора ОВГ, создавая замкнутую систему, или систему с обратной связью (в данном случае с обратной связью по скорости).

Ток, создаваемый тахогенератором ( I тг) в замкнутой цепи, направлен навстречу току потенциометра ( I п), и в цепи действует результирующий ток, равный геометрической разности этих токов. Движком потенциометра оператор устанавливает такое значение результирующего тока в обмотке возбуждения ОВГ, при котором обеспечивается соответствующая скорость электродвигателя. На этом роль оператора заканчивается. В дальнейшем система автоматически с определенной точностью поддерживает заданный режим работы электропривода.

Допустим, что в результате наброса нагрузки скорость электродвигателя уменьшилась по сравнению с заданной. Уменьшение скорости сопровождается соответствующим уменьшением скорости тахогенератора и напряжения на его зажимах. Это в свою очередь вызовет уменьшение тока I тг в цепи обратной связи и в определенном положении движка потенциометра — увеличение результирующего тока в обмотке возбуждения генератора. Соответственно возрастут напряжение на генераторе и скорость электродвигателя.

Процесс увеличения скорости и напряжения будет продолжаться до тех пор, пока ток в цепи обратной связи не достигнет установленного значения, а скорость электродвигателя — заданной величины.

1 — задающее устройство, которое задает режим работы, подает командный, начальный импульс или сигнал,

2 — элемент сравнения. В него входит сигнал Х1 от задающего устройства, сигнал Х0, определяющий норму или уровень контролируемой величины. С учетом сигнала от элемента 9-й главной обратной связи элемент 2 сравнивает поступившие сигналы и посылает дальше скорректированный сигнал Х2,

3 — преобразующий элемент, поступающий в него сигнал оп преобразует в другую форму, более удобную для дальнейшей передачи. Например, сигнал Х2 был дан в форме гидравлического (пневматического, механического) давления. Элемент 3 преобразовал его в электрический ток. Так как подобного рода преобразование может требовать дополнительной энергии, то элемент 3 связан с источником энергии ПЭ,

4 — суммирующий элемент, в него поступают два сигнала: Х3 и Х8 от корректирующего элемента (элемента памяти) 8. Эти сигналы суммируются элементом 4 в направляются в следующий элемент,

5 — элемент усиления, входящий сигнал Х1 может быть слабым и для последующей передачи должен быть усилен. Это делается элементом 5, который связан с источником энергии ПЭ,

6 — исполнительный элемент, выполняет полученный сигнал (электродвигатель, электромагнитное реле, серводвигатель),

7 — регулируемый объект, или рабочая машина.

Рис. 2. Функциональная схема САУ

Обратные связи делятся на жесткие и гибкие. Жесткие связи действуют как в переходном, так и в установившемся режимах работы системы, гибкие— только в переходном. Различают положительные обратные связи и отрицательные. При увеличении регулируемой величины положительная связь еще больше ее увеличивает, а отрицательная, наоборот, уменьшает. Обратные связи могут передавать сигналы, пропорциональные углу поворота, скорости, напряжению, току и т. п. и соответственно называются обратными связями по углу, скорости, напряжению, току.Подробнее смотрите здесь: Элементы систем автоматики

По принципу действия САУ можно разделить на три группы:

непрерывного действия, в которых не нарушается связь между контролируемой и заданной величинами,

импульсного действия, в которых связь между контролируемой и заданной величинами осуществляется через определенные промежутки времени,

релейного действия, в которых связь осуществляется только тогда, когда заданная величина достигает определенного значения.

В зависимости от закона, по которому изменяется заданная величина во времени, САУ можно разделить также на три группы:

системы с постоянным или малоизменяющимся значением заданной величины, в которых автоматически регулируемая величина поддерживается постоянной. Это системы стабилизации, которые по существу являются системами автоматического регулирования (САР),

системы, в которых заданная величина изменяется по определенной, заранее установленной программе. Это система программного управления,

системы, в которых заданная величина может изменяться в широких пределах и по произвольному закону, т. е. следящие системы.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

РАЗОМКНУТЫЕ И ЗАМКНУТЫЕ САУ.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ

АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ.

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Под управлением технологическим процессом понимается совокупность операций, необходимых для осуществления таких целей, как пуск и остановка технологического процесса, поддержание какого-либо параметра процесса на заданном уровне, изменение параметра по заданной программе и т.п.

Установку, машину, агрегат, в котором протекает исследуемый технологический процесс, называют объектом управления.Управление может быть ручным или автоматическим. В первом случае операции управления осуществляет человек, а во втором – управляющее устройство. Сочетание объекта управления и управляющего устройства образует систему автоматического управления (САУ).

Рис.11.1. К понятию системы автоматического управления

На работу системы автоматического управления влияют различные воздействия. Будем называть их входными воздействиями, входными величинами или просто входами (x_вх) (рис.11.1).

Параметры процесса, которые в той или иной степени характеризуют его качество и изменяются под действием входных величин, будем называть выходными величинами или просто выходами(x_вых). Входные воздействия, которые нарушают заданный закон изменения выходных величин, будем называть возмущающими воздействиями или просто возмущениями. Возмущения можно подразделить на два вида: нагрузку (Н) и помехи (П). Изменение нагрузки обычно обусловлено технологическим процессом, а помехи вызываются изменениями внешних условий (например, температуры окружающей среды) или свойств отдельных элементов системы.

Воздействие управляющего устройства на объект управления называется управляющим воздействием (У).Оно также относится к входным воздействиям.

ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ.

При построении системы автоматического управления широко применяют обратные связи.

Обратную связь называют внешней, если она соединяет выход системы с ее входом, и внутренней или местной, если она соединяет выход одного или группы элементов системы с их входом.

Если подача выходной величины элемента системы на его вход усиливает действие входной величины на выходную, то такая обратная связь называется положительной.

Обратная связь называется отрицательной, если подача выходной величины элемента системы на его вход ослабляет действие входной величины на выходную.

По характеру передачи воздействий обратные связи делятся на жесткие и гибкие. Жесткая связь действует как в установившемся, так и в переходном режиме, гибкая действует только в переходном режиме, а в установившемся режиме ее действие прекращается.

РАЗОМКНУТЫЕ И ЗАМКНУТЫЕ САУ.

Системы автоматического управления делятся на разомкнутые и замкнутые.

Разомкнутыми называются такие системы автоматического управления, в которых отсутствует внешняя обратная связь и, следовательно, отсутствует контроль результата управления.

В разомкнутой САУ с жесткой программой(рис.11.2,а) на управляющее устройство подается жесткое задание З. Управляющее устройство оказывает воздействие У на объект управления в соответствии с этим заданием. Под действием некоторого возмущенияx_вх (например, изменение нагрузки) могут возникнуть отклонения выходной величиныx_вых объекта от задания. Однако эти отклонения в разомкнутой САУ с жесткой программой не контролируются и не влияют на работу управляющего устройства.

Рис.11.2. Разомкнутые системы автоматического управления (САУ)

К таким системам относятся, например, системы автоматического пуска и остановки насосов, вентиляторов, компрессоров и т.п.

Замкнутыминазывают системы автоматического управления, в которых имеется обратная связь, обеспечивающая контроль выходной величины (рис.11.3,а).

При этом управляющее устройство формирует управляющее воздействие У в зависимости от отклонения входной величины x_вых от задания З.

Источник

Разомкнутая и замкнутая системы

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

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.

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)

Рис. 1.6 Функциональная схема разомкнутой СУ скоростью вращения диска

Рис. 1.7 Функциональная схема замкнутой СУ скоростью вращения диска

Источник

Замкнутые и разомкнутые системы управления электроприводами

Рассмотрим пример данных систем на примере системы управления машиной постоянного тока, работающей по системе тиристорный преобразователь – двигатель (ТП-Д).

В таких системах выходное напряжение на двигателе регулируется с помощью угла открывания тиристора. Разомкнутая система:

При использовании разомкнутой системой управления напряжение U_у регулируется с помощью потенциометра или другого устройства. При разомкнутом управлении выходное напряжение U_я не отслеживается и считается что оно пропорционально заданному U_у.

При использовании замкнутых систем управления U_у будет представлять из себя разность между сигналом задания и сигналом, пропорциональным регулируемой координате. При регулировании тока:

Здесь формирование сигнала управления U_у будет представлять собой разницу между реальным током якоря и заданием по току, приходящему из вне.

Ниже показана аналоговая схема управления, которая может быть применена как в разомкнутой, так и в замкнутой системе управления:

Положение перекидного переключателя ПП определит тип – разомкнутая или замкнутая. В первом случае напряжение U_у будет зависеть от напряжения задания, которое снимается с потенциометра П1 и преобразуется операционными усилителями ОУ1 и ОУ2. В замкнутой же напряжение с потенциометра П1 будет представлять сигнал задания по току I_з.т. Сигнал I_я – это напряжение, которое пропорционально якорному току, как вы поняли электродвигателя постоянного тока.

На ОУ3(операционном усилителе) фильтр нужен для сглаживания пульсации тока. Регулятор пропорционально-интегральный (ПИ регулятор) обеспечит необходимое быстродействия системы, а также нужные коэффициенты усиления. Что бы ограничить сигнал, который поступает на ОУ2, заданным максимальным значением используют стабилитрон VD1. Параметры номинальные схемы, указанной выше, являются частным случаем и не являются обязательными для применения в других электроприводах. Свойства электропривода в значительной степени будут зависеть от выбранных проектировщиком постоянных времени узлов и, соответственно, коэффициентов усиления.

Источник

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 величины от 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 измерителя называется сигналом обратной связи по регулируемой величине, а коэффициент пропорциональности k_о.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 ):

.

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 x_р уменьшает ошибку регулирования e при действии на объект управления возмущающего воздействия f.

Положительная обратная связь по регулируемой величине x_р 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