Теория систем автоматического управления

Основы системотехники Лекция 1 Список литературы: • Лукас В.А. Теория управления техническими системами. Компактный учебный курс. 2002г. • Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления. 2003 г. Принятые сокращения ЛАЧХ – логарифмическая амплитудно-частотная характеристика Принятые сокращения Принятые сокращения Системотехника направление науки и техники, охватывающее проектирование, создание , испы тание и эксплуатацию слож ны х систем технического и социально-технического характера. Цель ТУ ТС управления. – построение высококачественной системы Методы исследования : а) математическое моделирование (А – некий математический оператор – умножение, деление, функция и т.п.); б) теория обыкновенных дифференциальных уравнений (w(t) – ДУ, которое связывает меняющиеся во времени входные и выходные переменные и их производные); в) операционное исчисление (преобразование Лапласа, W(p) – передаточная функция); г) гармонический анализ (частотные характеристики объекта ) Основные задачи ТУ ТС: • задача анализа – исследование процесса работы определенной системы автоматического управления с заданной структурой и элементами, определение её устойчивой работы при различных отклонениях и возмущениях. • задача синтеза – более сложная, т.к. состоит в построении системы автоматического управления с требуемыми параметрами. Основные понятия Система – это множество связанных друг с другом элементов, образующее определенную целостность (связи элементов системы сильнее, нежели с другими элементами вне системы). Системы мож но классиф ицироват ь по различны м признакам : -Абстрактные и материальные (теории/методы и совокупности материальных объектов). - Открытые (незамкнутые) и закрытые (замкнутые) – есть взаимодействие с внешней средой или нет; -Естественные и искусственные; -Статические и динамические; и т .д . Статические системы – все физические величины (напряжение, температура, давление и т.п.) системы неизменны во времени. Динамические системы – открытая система, находящаяся в состоянии динамического равновесия, т.е. непрекращающегося обмена с внешней средой. Основные понятия Техническая система – совокупность машин и аппаратов, осуществляющих преобразование, транспортирование и накопление энергии, вещества или информации. Примеры – генератор ЭЭ, химический реактор, компьютер. ТС взаимодействует с открытой средой. Внешняя среда оказывает на неё возмущающее воздействие - это назы вается возмущением z (изменение мощности потребления в кВт, температура работы ПК). Для того, чтобы управлять технической системой существуют управляющие воздейст вия y. Они компенсируют нежелательное влияние внешней среды и дают нужный алгоритм работы системы. Процесс осуществления целенаправленных назы вают управлением . воздействий на ТС Сама ТС, нуждающаяся в управлении называют объ ектом управления (ОУ ). Примеры управляющих воздействий – частота вращения ротора Г, расход катализатора в реакторе, команды ввода данных. Сигнал – изменение во времени физической величины, которое отображает информацию, содержащуюся в воздействии (физическая величина, меняющаяся во времени). Например, электрический ток, который одновременно передает и вещество (электроны), и энергию; поток горячей воды. Вы ходной сигнал объ ект а управления x(t), который с помощью управляющего воздействия y(t) поддерживается на заданном уровне или изменяется по заданному закону, называется управляемой величиной . Пример, температура, давление, напряжение, скорость, и т.п. Устройство, осуществляющее целенаправленные управляющие воздействия на ОУ, называют управляющим уст ройст вом УУ . Совокупность ОУ и УУ, взаимодействующих между собой называют системой управления СУ. Кроме основного возмущения, действующего на объект zo(t), на функционирование системы может влиять дополнительное возмущение zд (t), приложенное на УУ. Алгоритм функционирования объ екта – зависимость управляемой величины x(t) от возмущающего и управляющего воздействия. Алгорит м управления (функционирования УУ ) – зависимость управляющего воздействия от задающего воздействия, управляемой величины и возмущающих воздействий. где Ао, Ay – совокупность математический операций. УУ ОУ Назначение СУ – поддержание постоянной нагрузки основного привода рабочего органа (роторного колеса или фрезы) путём изменения скорости перемещения органа. Управляемой величиной x является электрическая мощность Pн потребляемая преобразователем П и передаваемая через основной электродвигатель До рабочему органу. Управляющее воздействие y – линейная скорость подачи Vп. Возмущающее воздействие zо – момент сопротивления или нагрузки на основной привод Mн. Ст рукт урны е схемы систем управления Графическое изображение любой структуры называют структурной схемой. Различают: системы • Функциональная схема отображает функции (целевые назначения), выполняемые отдельными частями системы. Функциональная схема состоит из блоков и элементов. Название блока указывает на его функцию. • Алгоритмическая схема - на схеме изображают алгоритмы работы отдельных узлов, формулы или графики. Алгоритмическая схема состоит из звеньев, внутри которых указывают соответствующие операторы преобразования сигнала. Звенья бывают – статические, динамические, арифметические, логические. • Конструктивная схема – кинематические схемы различных устройств, принципиальные и монтажные электрические схемы. Классификация СУ Автоматическая система управления температурным режимом Структурная схема Следящие системы (позиционирования) используют для дистанционного управления перемещением механических объектов в пространстве . В зависимости от конфигурации цепи воздействий различают: - Разомкнутая цепь воздействий (задающее и возмущающее воздействие) - Замкнутая цепь воздействий (добавляется контроль управляемой величины – обратная связь) - Комбинированные , где оператор Ау чаще всего обеспечивает пропорциональный закон управления . Применяют тогда, когда влияние возмущений не велико, а элементы СУ обладают стабильными характеристиками. Примеры: различные автоматы, работающие по жесткой программе, системы управления пуском электродвигателей. Компенсация влияния возмущения происходит еще до того, как оно проявится на выходе объекта. Достоинства разомкнутых систем: простота и быстродействие. Недостаток – невысокая точность. Достоинства замкнутых систем: точность, т.к. контролируется непосредственно управляемая величина и учитывается действие всех возмущений на неё. Недостатки: возникновения колебаний и неустойчивой работы; не высокое быстродействие, т.к. сперва ошибка должна возникнуть. В зависимости от способа выработки управляющих воздействий: - безпоисковые (регулирования) –для несложных СУ с известными объектами управления, алгоритм УУ заранее определен, известно, с каким знаком и как изменить управление. - поисковые – управляющее воздействие формируется с помощью пробных управляющих воздействий и анализа результатов с целью отыскания экстремума. - адаптивные (самоприспосабливающиеся) – системы, способные автоматически приспосабливаться к изменению внешних условий и свойств объекта управления, есть дополнительное устройство, которое меняет структуру управляющего устройства с целью максимальных показателей качества.