Автоматическое регулирование

Основные понятия автоматики

Автоматика- это отрасль науки и техники, изучающая теорию и принципы построения систем управления объектами, функционирующими без непосредственного участия человека.

Объектом управления ОУ называют техническое устройство, для достижения желаемых результатов функционирования которого необходимы специально организованные воздействия. Объектами управления могут быть технические объекты (теплицы, теплогенераторы и т.д.), технологические объекты, экономические системы, социальные системы.

Причиной управления является достигаемая цель управления. Под целью управления понимают изменение во времени значений координат объекта управления, при которых достигается желаемый результат его функционирования.

Цели управления могут быть различными. В простейших случаях цель может состоять в обеспечении постоянства выходной координаты объекта управления и представлять собой легко измеряемую физическую величину. Например, постоянство температуры, влажности и т.п. В более сложных случаях цель управления может состоять в одновременном связанном регулировании сразу нескольких выходных координат объекта, причем некоторые координаты могут технологическими, экономическими и другими параметрами функционирования объекта. Например, минимум затрат энергии на осуществление процесса, минимум себестоимости продукции, максимум производительности и т.п.

В зависимости от количества целей управления различают одноцелевые и многоцелевые объекты.

Качество функционирования объекта управления оценивают по его выходной величине, которую называют управляемой величиной Y(t). По ее изменению во времени оценивают степень достижения цели управления. Наиболее простым показателем качества управления является отклонение выходной координаты объекта от желаемого значения.

ОУ находится под непрерывным воздействием внешних возмущающих воздействий F(t), стремящихся изменить состояние объекта и отклонить управляемую величину Y(t) от желаемого значения X₀.

Для управления объектом, необходимо иметь регулирующий орган РО, при помощи которого возможно менять состояние объекта, т.е. влиять на его управляемую величину Y(t). Воздействие регулирующего органа на объект управления называется входным или управляющим воздействием U(t).

Управление объектом - это преднамеренное воздействие на него, обеспечивающее достижение заданного значения управляемой величины. Управление может быть ручным и автоматическим.

Ручное управление

Структурная схема ручного управления показана на рисунке.

При таком управлении оператор измеряет текущее значение регулируемой величины Y(t), сравнивает его с заданным значением X₀ и в зависимости от рассогласования ?(t)=Y(t) - X₀ перемещает регулирующий орган РО, меняя управляющее воздействие U(t) на объект управления.

Недостатками ручного управления являются:

оператор не в состоянии непрерывно наблюдать за технологическим процессом, следовательно, возможны опоздания в процессе регулирования и, как следствие, отклонение управляемой величины Y(t) от желаемого значения;

оператор сам определяет как величину, так и закон перестановки регулирующего органа, а значит, возможны ошибки, которые зависят от опытности оператора.

Таким образом, ручное управление сопряжено со значительными ошибками регулирования.

Чтобы ошибки регулирования не привели к браку продукции оператор вынужден поддерживать режимные параметры процесса, как правило, ниже максимально допустимых значений, что приводит к снижению интенсивности протекания процесса и производительности оборудования. В противном случае (например, при перегреве семенного зерна) возможен массовый брак продукции и значительный экономический ущерб.

Автоматическое регулирование

Система работает следующим образом. Сигнал с выхода объекта управления ОУ, измеренный измерительным элементом (датчиком) ИЭ, поступает в сравнивающий элемент СЭ, где он сравнивается с желаемым значением X₀ управляемой величины. Сигнал рассогласования ?(t)=Y(t)-X₀ поступает в регулятор Р, который в зависимости от значения и знака рассогласования вырабатывает управляющий сигнал U(t), под действием которого регулирующий орган РО изменяет поток энергии или вещества в объект управления ОУ, тем самым изменяя его управляемую величину Y(t).

Структурная схема системы автоматического регулирования приведена на рисунке.

В состав регулятора входят:

Таким образом, при отклонении регулируемой величины от заданного значения в системе автоматически появляется управляющее воздействие устраняющее это отклонение.

Регуляторомназывают устройство, осуществляющее воздействие на управляемый объект в соответствии с заложенным в нем алгоритмом управления.

Совокупность объекта управления и автоматического регулятора называют системой автоматического регулированияСАР.

Важно отметить, что принципы построения систем автоматического управления остаются одинаковыми независимо от природы регулируемой величины и конструктивного исполнения регуляторов.

Построение конструктивной функциональной структуры при описании изделия основывается на законе соответствия между функцией и структурой изделия при этом необходимо ответить на вопросы:

1. - какие функции выполняет каждый элемент изделия и как элементы функционально связаны между собой?

2. - какие физические операции (преобразования) выполняет каждый элемент и как они (элементы) взаимосвязаны между собой?

3. - на основе, каких физико-технических эффектов работает каждый элемент изделия и как они (эффекты) взаимосвязаны между собой?

При ответе на эти вопросы появляется четкое и цельное представление об изделии с пониманием функциональной и физической позиции восприятия

Разделение изделия на элементы. В основу анализа функций изделия и построения конструктивной функциональной структуры положен принцип выделения и рассмотрения структур с двухуровневой иерархией т.е. любое изделие можно разделить на несколько элементов, каждый из которых имеет вполне определенную функцию по обеспечению эксплуатации изделия или эксплуатации его элементов.

При экспертном исследовании изделия поступившего в центр экспертизы на определение причин разрушения или функционального нарушения системы связей по рейтингу первого (верхнего) уровня главным становится элемент локализации внимания на элементе разрушения. При этом рассматриваемый элемент представляет собой верхний уровень, а выделенные в этом центре внимания функциональные элементы изделия рассматриваются как «окружающая среда» – нижний (второй) уровень. Если требуется продолжить анализ, то каждый из выделенных элементов второго уровня рассматривается как самостоятельное изделие, которое можно разделить на несколько функциональных элементов. Глубина многоуровневого разделения изделия на элементы обычно определяется характером решаемой задачей изучения изделия. Такое разделение обычно соответствует установившемуся в инженерной практике конструктивному разделению на агрегаты, блоки, узлы, детали, части деталей.

Одновременно с разделением изделия на элементы выделяют объекты окружающей среды, с которыми рассматриваемое изделие находится в функциональном или вынужденном взаимодействии и которые существенно влияют на устройство и эксплуатацию изделия. Среди всех выделенных элементов изделия особое внимание чаще всего уделяют главным элементам. При выделении главных элементов рекомендуется обратить внимание на свойства:

- функция главных элементов совпадает с функцией изделия или в решающей мере зависит от функции изделия;

- объекты окружающей среды для главных элементов совпадают с объектами, на которые направлено действие изделия.