Управления. Поэтому остановимся на общем понятии «система». Это фундаментальное понятие. Система включает в себя набор (множество) о - polpoz.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
4. Ввод-вывод и файловая система. Файл С. из 1 182.33kb.
Система образования статья 10 1 251.96kb.
Контрольная работа по дисциплине: политология на тему: политическая... 1 181.08kb.
Backround: Это система Мартингейл которая всегда будет побеждать... 1 92.48kb.
Система автоматического управления «бук-сигма» для управления котлом... 2 602.15kb.
Система воеводского управления в освещении историков-сибиреведов 1 237.36kb.
Лекция №11. Стандартизация компьютерных сетей. Модель osi понятие... 1 92.85kb.
Реферат по биологии «нервная система» 1 276.36kb.
«Моделирование систем» 176 1 372.85kb.
5. Мировая валютная система: понятие, элементы, эволюция 1 23.89kb.
Деньги это возможность, созданная изначально для конвертирования... 1 36.69kb.
Лабораторная работа «Кривые второго порядка» 1 79.47kb.
1. На доске выписаны n последовательных натуральных чисел 1 46.11kb.

Управления. Поэтому остановимся на общем понятии «система». Это фундаментальное понятие. - страница №1/7


  1. Суть и характер автоматического управления.

1.1 Системы

Все время мы будем говорить о системах управления. Поэтому остановимся на общем понятии «система». Это фундаментальное понятие. Система включает в себя набор (множество) объектов. Объекты не совпадают друг с другом и отличаются какими то параметрами, например. разным положением в пространстве. Объекты в системе часто имеют различные свойства и принципиально отличаются друг от друга, хотя это не обязательно. Второе обязательное условие для системы – взаимодействие между объектами, что подразумевает наличие сил и энергии объектов. В процессе взаимодействия группы объектов могут связываться этими силами в укрупнённые блоки.

Возникает взаимодействия между этими блоками. Могут образовываться еще более крупные составные части системы со своими свойствами и взаимодействиями.

Самовозникающие свойства систем.

Давайте возьмем пример из совсем другой области. Вот есть такое явление — сверхпроводимость. Может быть, вы даже знаете. Сверхпроводимость — это когда какое-нибудь тело полностью теряет электрическое сопротивление, ток через него может течь без всякого сопротивления вообще. Если сверхпроводник замкнуть в круг и пустить через него ток, без всякого напряжения, то он будет крутиться часами, днями, годами — такие эксперименты делались. Он не затухает, крутится, крутится... Это называется сверхпроводимость. Явление это, конечно, замечательное, и физики попытались разобраться, как оно возникает.

Если совсем наивно подходить к пониманию природы, то можно сказать: раз это явление есть в таком вот веществе, давайте разделим его на атомы и покопаемся в каждом атоме или каждой молекуле, попытаемся найти происхождение — что-нибудь такое, что дает ему сверхпроводимость. Вы, конечно, можете это сделать: распилить на атомы, изучить отдельные атомы — теоретически, экспериментально, как угодно. И вы там ничего не увидите! Там не будет ни малейшего намека на сверхпроводимость, потому что сверхпроводимость ничего — почти ничего — не знает про атомы, а атомы ничего — почти ничего — не знают про сверхпроводимость.

Если взять один атом, то в нем не будет сверхпроводимости, просто будет атом, и всё. Если два, три атома — то же самое. Ну, получится какая-нибудь там молекула маленькая. Если взять много атомов, то вдруг оно возникает. Ну, конечно, не вдруг, не скачком — оно плавно проступает, оно как будто цветок из бутона поднимается, когда вы много-много атомов берете. Но такие явления возникают сами по себе, просто из-за того, что частицы взаимодействуют. Их не надо было закладывать изначально.

Точно так проявляется такое свойство как давление и свойство температуры. У одного атома или одной молекулы нет давления, нет температуры. У них другие свойства – скорость, внутренняя энергия, неопределенность местоположения, кантовые числа. И вдруг при изменении количеств атомов ( молекул) появляется температура системы, которую мы чувствуем как своим телом так и приборами.

Я еще хочу сказать, что эта вещь возникает не только в физике, разных ее областях. В математике есть самовозникающие явления, в экономике есть самовозникающие явления, даже в биологии они есть. При желании многое можно интерпретировать как самовозникающее явление — явление, которое возникает из-за взаимодействия. При наличии определенных типов элементов и взаимодействий возникают и системы автоматического управления. Об этом поговорим дальше.

Мы должны уметь увидеть эти составные части системы и описать взаимосвязь между ними. Слежение за состоянием объектов и за взаимодействиями между ними называется контролем. Первоначально объект контроля (управления ) представляется нам как нечто цельное, громоздкое, крупное. И задача заключается разбить исходный объект на отдельные элементы и описать взаимовлияние и взаимодействие между ними.

Это есть декомпозиция объекта – разбиение на более простые составные части , которые называем локальными подсистемами. Результатом декомпозиции является структурная схема объекта.



Здесь Р1 и Р2 локальные подсистемы, С1 и С2 управляющие блоки локальных подсистем, С0 – координирующий блок. Вертикальные стрелки указывают движение информации.



Какие элементы нужно обязательно включать в систему, чтобы получить такую структуру как система автоматического управления?





Система регулирования содержит регулирующие устройства - исполнительные механизмы (ИУ, ИМ). Их предназначение - воздействовать на технологический процесс и изменять состояние объекта управления. Исполнительные устройства представляют собой преобразователи. На вход механизма обычно т подается стандартный сигнал, и он превращает входной сигнал (электрический, оптический, механический, пневматический и др.) в движение штока клапана или поворот заслонки. Исполнительные механизмы устанавливаются на трубопроводах сырья, материалов или энергоносителей. Изменение положения заслонки или зазора для движения среды в клапане изменяет энергобаланс в технологическом объекте. В результате изменяется состояние технологического объекта, что и требуется для регулирования . Исполнительные механизмы в зависимости от источников питания бывают разных типов: электрические, пневматические, гидравлические. В настоящее время в качестве исполнительных механизмов широко используются электрические двигатели с управляемой частотой вращения. Это наиболее экономичный способ регулирования.

Заслонки регулирующие и запорно-регулирующие. Заслонка представляет собой корпус цилиндрической формы (редко - квадратной), по внешнему виду напоминающий короткий отрезок трубы. Внутри корпуса расположена ось, на которой закреплен затвор. Затвор движется вращательно, поворачиваясь на 90 градусов. Управление затвором обычно осуществляется при помощи привода. При передаче движения от привода, затвор поворачивается вокруг оси, открывая, таким образом, проход корпуса, через который проходит рабочая среда. См. рисунок Zasl;nka.

Клапана односедельные и двухседельные, в которых используется система затвор – седло. Затвор (шток) перекрывает седло(выемка), меняя диаметр прохода для среды. Вследствие уравновешивающего действия потока, который разветвляется под углом 180°, затвор двухседельного регулирующего органа испытывает значительно меньшее неуравновешенное механическое усилие и соответственно требует меньших перестановочных усилий исполнительного механизма. Клапана шланговые для абразивных сред и диафрагмовые для регулирования потоков агрессивных сред при невысоких давлениях и температурах.

Любая система управления (ручного, автоматического или автоматизированного) в обязательном порядке содержит четыре элемента (или четыре множества элементов), объединенных в замкнутый контур передачи воздействий:

- объект управления, - управляющая часть, - датчик (датчики), - исполнительное устройство (устройства).

1.2 Информация

Какие формы взаимодействий между элементами обязательны в системах автоматического управления? Обязательно есть передача и обработка информации. Информация это сообщение об изменении состояния объекта. При таком определении появляется новое понятие «сообщение». Оно связано с передачей и приёмом сигнала, вызванного изменением состояния. О передаче сигналов и защите от искажений имеется масса книг, статей, диссертаций. Построены теории Шеннона, Винера, Калмана и других. Этим занимается теория связи и теория обработки сигналов.

Вторым принципиальным моментом является то, что только изменение состояния есть информация. Известное и неизменное данное не является информацией. Если я скажу, что в феврале зима это сообщение не даст Вам никакой информации, кроме подозрения на сбой в работе. Но тоже сообщение с данными о температуре на улице «плюс 20», вызовет большой интерес и реакцию. Поэтому сообщения несут в себе разное количество информации.

Информация всегда проявляется в материально энергетической форме в виде сигналов, хотя это не материя и не энергия, которые переходят друг в друга с соблюдением законов сохранения. Информация может исчезать и появляться. Математические основы описания возникновения и передачи информации отличаются от основ описания преобразования материальных потоков.

Информация объективно существует независимо от нашего сознания, но выявляется при взаимодействии с конкретным объектом. В автоматике информация приходит от датчиков технологических параметров, концевых положений и других устройств. Физические величины, определяющие ход технологического процесса, называются технологическими параметрами процесса. Например, температура, давление, расход, напряжение, состав и т.д.

Датчик (Д) – устройство или комплекс устройств, преобразующих измеряемый параметр технологического процесса в вид, удобный для дальнейшей передачи и использования. Как правило, технологические параметры неудобно или невозможно контролировать (наблюдать, выводить на пульт оператора и т.д.) напрямую, без дополнительных технических средств. Например, температуру объекта нельзя наблюдать непосредственно. Численный контроль температуры возможен только по результату воздействию на другие тела. Для этого используют разного рода преобразователи, которые измеряемые параметры преобразуют в наблюдаемые или стандартные сигналы, понятные другим приборам.

Например, ртутный термометр преобразует температуру в перемещение столбика ртути. В термопаре разная величина температуры вызывает пропорциональную величину разности потенциалов между двумя проводами. В термометре сопротивления изменяется величина электрического сопротивления мостика из резисторов. В техническом манометре изменение давления вызывает изменение радиуса кривизны трубки, и соответственный поворот стрелки. В пьезометрических манометрах изменение давления вызывает изменение частоты пульсаций пьезо кристалла. В настоящее время все указанные изменения датчики преобразуют в стандартные сигналы, соответствующие значению технологического параметра.



1.3 Обратная связь

Обязательным взаимодействием в системах автоматического управления является обратная связь параметра характеризующего состояние элемента ( выходной параметр элемента) и исполнительным механизмом действующим на данный объект. Такая идея была сознательно сформулирована в 19 веке на основании обобщения ряда технических решений реализованных в процессе промышленной революции. Новизна заключалась в идее рассматривать объект управления и обратную связь как единую систему. Такая система имеет другие свойства, чем сам объект регулирования. Возникают возможности добиваться желаемого поведения объекта в составе системы. Это то самовозникающая свойство, о котором мы говорили в разделе о системах из множества элементов.

Примером может служить регулятор Уатта. При использовании потока пара для вращения колес, валов и подобных механических конструкций важно держать постоянной скорость вращения этих конструкций. Английский конструктор изобрел устройство, позволяющее успешно решать эту задачу. Массивный шарик связывается пружиной с вращающимся валом. В тоже время он связан рычажной передачей с клапаном на трубопроводе подачи вращающего пара. Шарик вращается вместе с валом и под действием центробежной силы растягивает пружину на определенную величину. При этом он обеспечивает соответствующее открытие клапана (за счет смещения рычажной системы). Первоначальная настройка натяжение пружины и рычажной системы обеспечивают требуемое положение клапана и нужный объем подачи пара для желаемой скорости вращения.

Когда в процессе движения скорость вращения становится выше заданной, увеличивается центробежная сила и шар сильнее растягивает пружину, удаляясь от вала. При этом рычажная передача прикрывает клапан на линии подачи пара. Вращающая сила уменьшается, и скорость вращения падает. При понижении скорости вращения вала, центробежная сила уменьшается. Пружина притягивает шар ближе к валу, а рычажная система соответственно отрывает регулирующий клапан. Пара идет больше, скорость вращения восстанавливается. Этот процесс регулирования является классическим, многократно исследовался, имеет точное математическое описание.

Специального отдельного регулятора в системе Уатта нет. Роль регулятора выполняет пружина с шаром, которая является одновременно и датчиком скорости вращения. Сам регулятор Уатта самостоятельную законченную конструкцию, устанавливается непосредственно на технологическом объекте и работает без участия человека. Энергию для работы он черпает непосредственно из технологического процесса. Человек требуется для предпусковой настройки. Устройства такого типа, черпающие энергию для изменения положения исполнительного механизма из процесса, называются Регуляторами прямого действия.

После формулировки основополагающего решения заключающего в использование обратной связи по измеряемым выходным параметрам был определен математический принцип использования этой связи. Он гласит, что для регулирования технологического параметра требуется величину управляющего сигнала рассчитывать и устанавливать пропорционально величине изменения регулируемого выходного параметра. Применение этих простых и понятных вызвало революцию в управлении технологическими процессами.

Исследования показали, что обратная связь присутствует в живой и неживой природе. Все живые существа имеют массу внутренних контуров регулирования. Все стабильные процессы на Земле являются такими только потому, что постоянно идет регулирование с использованием обратной связи.

Потребовался математический аппарат для однотипного описания свойств объектов управления, обратной связи и управляющих устройств. Такой математикой стали преобразования Лапласа. В свою очередь, частотная теория позволила разработать математические основы создания алгоритмов для модулей регулирования. Для реализации математических решений были разработаны аппаратные средства - регуляторы. Они показали высокую эффективность. Без них стало нельзя обходиться. В конкурентной борьбе аппаратные регуляторы помогали фирмам выигрывать. Автоматика стала наукой и модной дисциплиной.

Обратная связь может быть положительной и отрицательной. При положительной связи значение выходного параметра накладывается на задание. Положительная обратная связь— связь, при которой изменение выходного сигнала системы приводит к изменению входного сигнала, которое способствует дальнейшему увеличению отклонению выходного сигнала от задания. Положительная обратная связь ускоряет реакцию системы на изменение входного сигнала, поэтому её используют в ситуациях, когда требуется быстрая реакция в ответ на изменение внешних параметров. В то же время положительная обратная связь приводит к неустойчивости и возникновению качественно новых (автоколебательных) систем.

Если цифровой логический элемент либо операционный усилитель охватить небольшой положительной обратной связью, получится схема с гистерезисом (или триггер Шмидта), которая с успехом применяется для устранения дребезга контактов, ложных срабатываний датчиков (или кабельных приёмников), состояния «неопределённости» от влияния помех. Пример из другой области: рост населения Земли и развитие технологии находятся в положительной обратной связи. Положительная обратная связь вызывает движение по гиперболе.

Значительно более используема отрицательная обратная связь. Отрицательная обратная связь (ООС) — вид обратной связи, при котором изменение выходного сигнала системы приводит к такому изменению входного сигнала, которое противодействует первоначальному изменению. При отрицательной обратной связи задание сравнивается (вычитание) со значением выходного параметра. Отрицательная обратная позволяет создавать устойчивые системы. Отрицательная обратная связь делает систему более устойчивой к случайному изменению параметров. Отрицательная обратная связь широко используется живыми системами разных уровней организации — от клетки до экосистем.

Регуляторы в подавляющем большинстве работают по принципу отрицательной обратной связи. В сумматоре определяется величина рассогласования «е» (отклонения). Изменение величины управляющего сигнала происходит на основании значения рассогласования по заложенным алгоритмам и уравнениям.

Р

ОУ

Z



e

u

y



f

сумматор


На рисунке Z заданное значение технологического параметра, е – рассогласование, Р – регулирующий блок, U- сигнал на исполнительный механизм, fвнешние возмущения, ОУ – объект управления, Yрегулируемый параметр состояния объекта. Сумматор вычитает из задания сигнал обратной связи. Принцип функционирования регулирующей системы. В сумматоре постоянно происходит сравнение (вычитание) текущего значения регулируемой величины у с заданным значением Z, определяя отклонение е = z – у. Изменение управляющего сигнала на выходе регулятора зависит от изменения отклонения. Если текущее значение равно заданному значению, то регулятор не меняет управляющее воздействие (система работает в установившемся режиме). В противном случае управляющее воздействие на объект u изменяется в соответствии с величиной отклонения по алгоритмам, заложенным в регулятор. Чем больше отклонение регулирования (и дольше оно наблюдается), тем больше изменение управляющего воздействия и тем больше соответствующее изменение энергобаланса в объекте регулирования.

2.1. Обработка информации.

Мы видим, что, исходя из своей сути, процесс автоматического регулирования и управления содержит много действий и взаимодействий составляющих элементов. Чтобы получился ожидаемый результат, следует выполнять действия в определенной последовательности. Иначе произойдет непредвиденное и часто опасное событие. Например, если при ядерной реакции несвоевременно опустить тормозящий стержень, произойдет ядерной взрыв. Действия должны быть логичными и вытекать друг из друга. Последовательность взаимосвязанных действий называется алгоритмом.



На рисунке 5.1 в первом, укрупненном, представлении дана последовательность работ и действий по получению и организации движения информации в системе контроля и регулирования с использованием контроллера/компьютера.



2.2 Составляющие алгоритма при опросе и первичной обработке параметров

Контроллер инициализирует получение сигнала (информации) от датчика. В датчике часто закладывается аналоговые фильтры/сглаживатели, которые удаляют случайные шумы или явные нарушения (выбросы) сигнала. Мы уже отмечали, что датчики вырабатывают величины сигнала, входящие в стандартный ряд. Это требуется для согласованного приема и обработки сигналов. Поэтому в программе указывается тип и характеристики входного сигнала, его нижние и верхние границы. Эти данные должны списываться непосредственно с самого датчика или, в крайнем случае, с паспорта датчика. Таким образом, мы обеспечиваем согласованную обработку сигнала в разных частях и блоках системы. В описании алгоритма в табличном виде мы указываем эту информацию в графе параметры сигнала. Рассмотрим движение сигнала и информации.

Сигнал в контроллер поступает в аналоговом виде и должен преобразовываться в числовой вид. Эту роль выполняют аналогово-цифровые преобразователи (АЦП) на 4 или 8 или 16 или 32 или 64 входа. Больше входов я не встречал. Наиболее распространены АЦП на 8 входов для аналоговых сигналов и АЦП на 16 входов для дискретных сигналов. В АЦП реализовано решение, называемое мультиплексированием. Оно позволяет устройству последовательно подключать датчики для съема информации, а контроллер обращается к данным нужного ему для алгоритма параметра.

В современных электронных полупроводниковых мультиплексорах коммутация составляет несколько микросекунд. Они имеют хорошие эксплуатационные характеристики. Но большую опасность представляют для них большие токи утечек и скачки напряжения на входе. Сгорает операционный усилитель в АЦП- преобразователях. Для предотвращения рекомендуется использование защитных барьеров, сбрасывающих лишнее напряжение и ток на землю через систему заземления. Цепи электропитания модулей должны быть заземлены.

Компьютер выбирает величину параметров не непрерывно, а в некоторые моменты времени и воспринимает сигнал как последовательность дискретных значений. Дискретизация – считывание сигнала в определенные моменты времени, связана также с мультиплексированием и должна быть строго синхронизирована с ним. Значение аналогового сигнала считывается вначале каждого периода дискретизации и считается постоянным в течение времени АЦП преобразования. Эта операция называется задержкой нулевого порядка. Такой подход учитывается при численном моделировании систем и дискретизации по времени формул для непрерывных систем. Возникают дискретные представления матриц системы, в которых ее элементы рассчитываются из матрицы непрерывной системы по выражениям:

Ad = e , Cd = Ce . Bd = (C•e ) B . Здесь Δ – частота опроса параметров.

Пример дискретизации непрерывного аналогового сигнала:



Интервал дискретизации Δ должен быть достаточно коротким, чтобы правильно описывать непрерывный вид параметра. Теоретически (теория передачи информации, закон Найквиста) частота дискретизации должна в два раза и более превышать частоту наивысшей составляющей непрерывного сигнала. Частотные составляющие определяются с помощью спектрального анализа исходного непрерывного сигнала. Нужно учитывать, слишком короткий интервал опроса приводит к излишней загрузке контроллера/компьютера и неоправданной трате машинного времени.









Если опрос проходит шесть или три раза период колебания, то исходный сигнал будет восстановлен правильно.



Если сигнал дискретизируется пять раз за четыре периода, то аппроксимирующая (восстановленная) синусоида будет неправильной и иметь более низкую частоту.

Обычно реальный сигнал возмущается высокочастотными шумами. Если их не выбросить из входного сигнала, то при восстановлении они будут искажать аппроксимацию, вызывать появление в ней псевдо частот в выходном сигнале. Высокочастотные компоненты можно удалить аналоговым фильтром.

Примеры псевдо частот:




следующая страница >>


izumzum.ru