Лекция: Производстве

При автоматическом регулировании температуры, давления, уровня, расхода и других непрерывных величин требуется знать пере-даточные функции объекта управления и реализовать устойчивое
к внешним воздействиям изменение управляющих сигналов.

Для непрерывных систем существует три способа автоматического регулирования: разомкнутое, с компенсацией возмущений, по отклонению. Рассмотрим их на примере обогрева некоторого помещения (рис. 1.5).

При разомкнутом регулировании фиксируют положение регулятора нагрева и нагреватель начинает обогревать помещение (рис. 1.5, а). Температура внутри помещения зависит не только от работы нагревателя, но и от температуры снаружи помещения, а также от множества других факторов. Если все они не меняются, то удается достичь нужной температуры внутри помещения. При этом следует учитывать динамику нагрева помещения, зависящую от его конструкции и наружной температуры. Разомкнутое регулирование редко применяют при автоматизации, так как поведение реальных объектов зависит от многих факторов.

а

б

в

Рис. 1.5. Способы регулирования в непрерывном производстве:

а – разомкнутое; б – с компенсацией возмущений; в – по отклонению

При регулировании с компенсацией возмущений регулятор нагрева изменяет свое положение в зависимости от измерения температуры снаружи помещения (рис. 1.5, б). Благодаря этому температура внутри помещения не зависит от наружной температуры. Однако на нее влияют другие возмущающие факторы, такие как направление ветра или наличие щелей. Все возмущения трудно измерить и подать на вход регулятора. Из-за этого регулирование с компенсацией возмущений применяют при ограниченном числе возмущений.

Влияние множества возмущающих факторов на температуру внутри помещения можно компенсировать проще: измерив эту температуру и подав полученную величину на регулятор нагрева, который сопоставит ее с той температурой, которая задана для данного помещения (рис.1.5, в). Нагреватель будет работать в зависимости от разности заданной и фактической температур. Чем больше разность, тем больше будет интенсивность нагрева. Регулирование по отклонению или регулирование с обратной связью стало основным способом регулирования при автоматизации.

Для регулирования выходной величины объекта управления не-
обходимо найти динамическую связь входа объекта с его выходом
или передаточную функцию объекта регулирования. Передаточная функция системы автоматического регулирования положения, ско-
рости и ускорения механических элементов должна быть согласова-
на с передаточной функцией объекта управления так, чтобы при переходе от одного положения элемента к другому не было колебаний.

а б в

Рис. 1.6. Автоматически управляемая тележка:

а – объект управления; б – передаточная функция; в – переходная функция

Крайним случаем несогласованности связи системы управления с объектом является возрастание амплитуды колебаний до разрушения механической конструкции объекта. Существует шесть типовых динамических звеньев автоматического регулирования: усилительное, апериодическое, интегрирующее, дифференцирующее, колебательное и запаздывающее. На рис. 1.6 показаны передаточная и переходная функции апериодического звена, которым описывают многие объекты регулирования.

Таким объектом может быть автоматически управляемая тележка (рис. 1.6, а), входом которой является напряжение на тяговом двигателе U(t), а выходом – скорость движения V(t). При ступенчатом повышении напряжения скорость тележки экспоненциально увеличивается до установившегося значения. Этот процесс называют переходной функцией. Параметрами передаточной функции в данном случае являются коэффициент передачи K и постоянная времени Т. Коэффициент передачи показывает отношение выходной величины к входной в установившемся режиме или после изменений на входе и выходе объекта. Постоянная времени характеризует инерционные свойства объекта или скорость перехода от одного состояния к другому.

При согласовании с объектом передаточную функцию системы регулирования можно изменить в отличие от не подлежащей изменениям передаточной функции объекта регулирования. Поэтому главной задачей специалиста по автоматизации непрерывного производства является построение статических и динамических характеристик объекта регулирования в виде передаточных функций. Структура и параметры передаточной функции могут быть получены с помощью аналитического или экспериментального методов идентификации объектов управления.

Аналитический метод основан на описании поведения объекта дифференциальными уравнениями. В них выделяют входные и выходные переменные, между которыми устанавливают аналитическую связь, получают ее изображение по Лапласу и строят модель объекта как соединение типовых динамических звеньев. Часто объекты управления настолько сложны, что не удается составить дифференциальные уравнения и определить коэффициенты в уравнениях. Поэтому в последнее время развиваются экспериментальные методы, позволяющие построить передаточную функцию реального объекта по его реакции на внешние воздействия. Экспериментальные методы делят на активные и пассивные.

Активные методы основаны на приложении к одному входу объекта типового воздействия с одновременной фиксацией изменений выходов. При этом состояние остальных входов не должно изменяться. Активные методы применяют для простых объектов с управляемыми входами, допускающими по технологическим условиям ввод воздействий, реакция на которые в 5–10 раз больше уровня помехи на выходе. Воздействие может быть ступенчатым, линейно изменяющимся, импульсным или синусоидальным. Например, запись процесса повышения скорости электродвигателя с постоянной нагрузкой при ступенчатом увеличении приложенного напряжения позволит определить передаточную функцию привода по управлению.

В пассивных методах идентификации записывают изменения входов и выходов при нормальной эксплуатации объекта. Модель объекта строят по отношению спектральной и взаимно-спектральной плотностей входной и выходной величин. Такие методы применяют для стохастических объектов управления с неуправляемыми входами. Пассивные методы требуют длительных наблюдений и сложной статистической обработки. Записывая изменения скорости тележки при ее движении по неровной поверхности, можно получить передаточную функцию движителя тележки по путевым возмущениям.

Подбор системы автоматического регулирования для реального объекта осуществляют по критериям заданного качества переходных процессов и устойчивости регулирования. Для этого используют известные методы теории автоматического регулирования.