Левшин Г.Е. Управление техническими системами

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Алтайский государственный технический университет

им И. И. Ползунова

Г.Е. Левшин

Управление техническими системами

Учебное пособие

Изд-во АлтГТУ

Барнаул 2008

УДК 621. 74: 681. 51: 658. 52

Левшин Г.Е. Управление техническими системами: учебное пособие, 2-е изд-е, доп. и перераб. /

Г.Е. Левшин, Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова. – Барнаул: Изд–во АлтГТУ, 2008 – 114 с.

ISBN 5-7568-0667-9

Учебное пособие написано в связи с отсутствием учебника по курсу «Управление техническими

системами». Является вторым переработанным

и дополненным изданием. Предназначено для студентов

литейных специальностей всех форм обучения. Может быть полезно и студентам других

машиностроительных специальностей направления подготовки 651400-Машиностроительные технологии и

оборудование (рег. номер 515 тех/дс от 16.03.01 г.).

Рецензенты:

Ю.С. Ворона, к.т.н., профессор;

А.А. Багаев, д.т.н., профессор

ISBN 5-7568-0667-9

им. И.И. Ползунова, 2008

Оглавление

1. Введение

1.1. Теория автоматического управления как теоретическая основа современных

производственных процессов

1.2. Краткая история развития автоматического управления и его современное состояние

1.3. Структура технической кибернетики

1.4. Оценка системы автоматического управления (САУ) информационными критериями

2. Основные понятия и определения автоматического управления

2.1. Объект автоматического управления и его кибернетическая модель

2.2. Понятие о статических характеристиках объектат управления

2.3. Понятие об устойчивом, неустойчивом и нейтральном объекте управления

3. Задачи автоматического управления и принципы регулирования

3.1. Задачи управления

3.2. Принципы регулирования

3.2.1. Принцип регулирования по отклонению управляемой величины

3.2.2. Принцип регулирования по возмущению

4. Системы автоматического регулирования

4.1. Общая структурная схема регулятора

4.2. Системы автоматического регулирования с замкнутой и разомкнутой цепью воздействия

4.3. Одноконтурные и многоконтурные системы. Одномерные и многомерные системы

4.4. Регуляторы прямого действия

4.5. Регуляторы непрямого действия

4.6.Регуляторы непрерывного и прерывистого (дискретного) действия

5. Стабилизирующие, программные, следящие и самонастраива-ющиеся регуляторы

5.1. Стабилизирующий регулятор

5.2. Программный регулятор

5.3. Следящий регулятор или следящая система

5.4. Экстремальный регулятор, или самонастраивающаяся (адаптивная) система

6. Статическое и астатическое регулирования.

6.1. Регулированием со статической характеристикой

6.2. Регулированием с астатической характеристикой

7. Сводная классификация систем регулирования и управления

8. Режимы и характеристики работы САР и САУ

8.1. Установившийся режим

8.2. Фактор устойчивости

8.3. Неустановившийся режим

8.4. Понятие о переходных процессах

9. Элементы и звенья САУ, их передаточная функция

9.1. Понятие об элементах и звеньях САУ

9.2. Основы математического описания САУ

9.3. Передаточная функция элемента САУ и его структурная схема

9.4. Временные характеристики динамических звеньев

9.4.1. Временной характеристикой звена

9.4.2. Переходной функцией звена

9.4.3. Функцией веса (или импульсной переходной функцией) звена

9.5. Частотные характеристики динамических звеньев

9.6. Логарифмические частотные характеристики линейных звеньев

9.7. Типовые динамические звенья и их характеристики

9. 8. Структурные схемы САУ и их преобразования

9.8.1. Понятие о структурной схеме САУ

9.8.2. Преобразование структурных схем

9.9. Применение графов для отображения САУ

9.10. Синтез корректирующих устройств

9.10.1. Назначение корректирующих устройств

9.10.2. Включение корректирующих звеньев

9.10.3 Корректирующие звенья последовательного типа (или последовательная коррекция)

9.10.4. Согластно-параллельные корректирующие звенья

9.10.5. Встречно-параллельные корректирующие звенья -обратные связи (ОС)

9.11. Нелинейные модели непрерывно - дискретных систем управления (НДСУ)

9.11.1. Типы НДСУ

9.11.2. Основные логические функции в дискретных САУ

9.11.3. Логические элементы и устройства

10. Чувствительные (измерительные) элементы (датчики)

10.1. Основные факторы выбора типа датчика

10.2. Классификация датчиков

10.3. Датчики температуры низкотемпературные

10.3.1. Термометры расширения

10.3.2. Манометрические термометры

10.3.3. Термометры сопротивления

10.4. Высокотемпературные датчики

10.4.1. Яркостные оптические пирометры

10.4.2. Радиационные пирометры

10.4.3. Цветовые пирометры

10.5. Датчики давления (разрежения) газов и жидкостей

10.5.1. Классификация датчиков

10.5.2. Жидкостные приборы

10.5.3. Пружинные датчики

10.5.4. Поршневые приборы

10.5.5. Комбинированные

10.5.6. Электрический датчик теплового вакуумметра

10.6. Датчики давления твердых тел

10.6.1. Пьезоэлектрические датчики

10.6.2. Тензометрические датчики (тензорезисторы)

10.6.3. Магнитоупругие датчики

10.7. Датчики расхода жидкости и газа

10.7.1. Тахометрические (скоростные) датчики

10.7.2. Объемные счётчики

10.7.3. Расходомеры обтекания (ротаметры)

10.7.4. Расходомеры переменного уровня

10.7.5. Ультразвуковые расходомеры

10.7.6. Электромагнитные (индукционные) расходомеры

10.7.7. Расходомеры переменного перепада давления

10.8. Датчики перемещения

10.8.1. Потенциометрические датчики

10.8.2. Индуктивные датчики

10.8.3. Емкостные датчики

10.9. Датчики уровня

10.9.1. Фотоэлектрические датчики

10.9.2. Радиоактивные датчики

10.10. Датчики скорости вращения

10.10.1. Тахогенераторы постоянного тока

10.10.2. Тахогенераторы переменного тока

10.10.3. Механический датчик

10.11. Газоанализаторы

11. Усилительные элементы (усилители)

11.1. Механические усилители

11.2. Гидравлические и пневматические усилители

11.2.1. Гидроусилитель с золотниковым управлением

11.2.2. Усилитель с управлением от струйной трубки

11.2.3. Усилитель с управлением типа "сопло-заслонка"

11.3. Электрические усилители

11.3.1. Электромашинные усилители

11.3.2. Магнитный усилитель

11.3.3. Электронные, ионные и полупроводниковые (транзис-торные) усилители

12. Исполнительные элементы

13. Регулирующие элементы

Литература

Приложения

П.1. Характеристики основных динамических звеньев САУ

П.2. Правила структурных преобразований

П.3. Алгебра W(s). Соответствие структурных схем графам

П.4. Электронные регуляторы

1. Введение

1.1. Теория автоматического управления как теоретическая основа современных

производственных процессов

По мере совершенствования техники производственный процесс усложняется, темпы его возрастают,

число операций, выполняемых человеком за счёт мускульной силы, сокращается, в процесс вовлекается всё

большее число машин.

Увеличение количества и качества машин, занятых в производстве, большая интенсификация и

усложнение технологического процесса

поставили человека перед фактом чрезвычайной сложности

процесса управления всеми этими комплексами, поэтому ещё в начале развития тепловых машин появились

устройства, осуществляющие без участия человека процесс управления машиной для поддержания

заданного значения параметра, характеризующего работу машины.

По мере развития техники всё острее вставала проблема изучения управления различными машинами.

При этом выяснилось,

что законы, в соответствии с которыми действуют различные системы управления,

имеют очень много общих черт. Сознание целесообразности комплексного изучения проблем управления

постепенно привело к созданию самостоятельной фундаментальной науки об управлении – кибернетики.

Составной частью кибернетики является теория автоматического управления, которая изучает проблемы,

связанные с управлением какой-либо системой машин (или машиной) без

непосредственного участия

человека.

1.2. Краткая история развития автоматического управления и его современное состояние

Идея создания машин, которые работали бы “сами собой” без участия человека, возникла давно.

Появление первых автоматически действующих устройств часто преследовало развлекательные или

религиозные цели. Практического значения автоматы древности и средневековья не имели, так как не могли

конкурировать

с дешёвым трудом рабов и крепостных крестьян.

Первые автоматические устройства промышленного назначения появились в связи с изобретением и

развитием техники паровых машин и турбин. Первый в мире промышленный регулятор изобрёл

И.И. Ползунов в 1765 г. Это был регулятор питания водой котла его паровой машины, который

автоматически поддерживал заданное значение уровня

воды в котле независимо от интенсивности отбора

пара. И.И. Ползунов предложил и использовал в этом регуляторе один из основных принципов построения

самых разнообразных автоматических устройств – принцип регулирования по отклонению. Через 20 лет

Джеймс Уатт использовал на своей паровой машине регулятор для поддержания постоянства частоты

вращения вала, построенный на том же принципе

. В 1808 г. Жаккард разработал первое программное

устройство управления ткацким станком от перфокарты (узор наковше).

Во второй половине XIX века начала развиваться промышленная электротехника, а вместе с ней

электрические автоматические устройства. Одним из первых электрических автоматов был

электромагнитный регулятор скорости вращения паровой машины, разработанный в 1854 г. механиком и

электротехником К.И. Константиновым.

Проектирование первых автоматических устройств велось эмпирическим путём и сопровождалось

многочисленными неудачами. Основы научного подхода к проектированию автоматических регуляторов

разработал профессор Петербургского технологического института И.А. Вышнеградский в двух своих

работах “Об общей теории регуляторов” в 1876 г. и “О регуляторах прямого действия” в 1877 г. Он впервые

показал, что машина и регулятор во

время работы образуют единую систему и раскрыл динамику их работы.

В 1892 г. математик А.М. Ляпунов опубликовал работу “Общая задача об устойчивости движения”, в

которой научно обосновал возможность решения вопросов устойчивости регулирования с использованием

линеаризованных характеристик. Н.Е. Жуковский ввёл в МВТУ курс “Теория регулирования хода машин”, а

лекции издал

в 1909 г. В 1932 г. появилась работа Найквиста, в которой был предложен частотный критерий

устойчивости автоматического регулирования машин. В 1938-39 гг. А.В. Михайлов предложил ещё один

частотный критерий устойчивости.

К середине 1930-х годов появилась необходимость обобщения опыта работы по автоматизации в

различных организациях и НИИ. Поэтому в 1934 г. была создана специальная комиссия

по телемеханике и

автоматике. В результате работы этой комиссии на многих заводах были организованы отделы автоматики.

В 1939 г. был создан журнал “Автоматика и телемеханика” и образован институт автоматики и

телемеханики.

При автоматизации энергетических объектов широко использовались релейные и импульсные

системы, в разработку теории которых в 50-е и 60-е годы XX века

внёс большой вклад Я.З. Цыпкин. В эти

же годы Б.Н. Петров и В.С. Кулебакин создали теорию инвариантности и независимости работы систем

автоматического регулирования от возмущающих воздействий.

В некоторых случаях процесс управления объектом должен обеспечить оптимальное сочетание

многих параметров, определяющих эффективность работы объекта в целом. Этим занимается теория

оптимального

управления, в разработку которой внёс значительный вклад Л.С. Понтрягин.

Бурное развитие получило автоматическое управление в связи с началом освоения космоса

автоматическими аппаратами. Такие эпохальные достижения человека, как запуск искусственного спутника

Земли, полёт и возвращение человека из космоса, доставка лунного грунта на Землю, исследование

атмосферы и грунта Венеры и Марса, сближение с кометой Галлея и др. были бы невозможны без высокого

уровня развития автоматического управления и электронно-вычислительной техники.

В литейном производстве всё бóльшее распространение получают как отдельные полуавтоматы и

автоматы, так и комплексные автоматические линии и роботизированные комплексы изготовления форм,

стержней и отливок

, их обработки; имеется опыт автоматической плавки металла и приготовления и раздачи

смеси. Значительный вклад в автоматизацию литейного производства внесли Н.Т. Жаров и М.В. Чунаев.

1.3. Структура технической кибернетики

Кибернетика – это наука об общих закономерностях процессов управления, основывается на изучении

объектов управления при внешних воздействиях, получении информации о протекании

процессов в этих

объектах и выработке управляющих воздействий, обеспечивающих оптимальное в определённом заданном

смысле состояние объектов. Объектами управления могут быть живые организмы (животные и растения),

коллективы людей, заводы, цехи, машины и т.п. Её структура поясняется схемой (рис. 1.1).

Техническая кибернетика – это наука об управлении техническими системами или объектами.

Бионика – это отрасль

кибернетики, изучающая процессы управления в живых организмах с тем,

чтобы всё лучшее, что создала живая природа в процессе эволюции, использовать при создании

автоматических систем в технике.

Теория информационных систем – это раздел технической кибернетики, изучающий проблемы,

связанные со сбором и переработкой информации, необходимой для управления системой человеком.

“Человек и автомат” −

это раздел технической кибернетики, изучающий проблему функционирования

человека в системе управления техническими устройствами.

Рис. 1.1. Структура кибернетики

Автоматика – это прикладная научная дисциплина, изучающая принципы построения и методы расчёта

автоматических систем. Включает в себя теорию технических средств (элементов) автоматики и ТАУ.

Теория автоматического регулирования является частью ТАУ.

Автоматическим регулированием называется поддержание постоянной или изменение по заданному

закону некоторой величины, характеризующей процесс, осуществляемое при помощи измерения состояния

объекта или

действующих на него возмущений и воздействия на регулирующий орган объекта.

Автоматическое управление – это автоматическое осуществление совокупности воздействий,

выбранных из множества возможных на основании определённой информации и направленных на

поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта в соответствии с целью управления.

Таким образом, задачи регулирования входят в состав задач управления. Кроме того,

в задачи

автоматического управления входят вопросы:

1) адаптации (самонастройки) системы управления в соответствии с изменением параметров объекта

или внешних воздействий;

2) формирования оптимальных управляющих воздействий;

3) автоматического выбора наилучших режимов из нескольких возможных.

Автоматическая система – это совокупность технических устройств, выполняющих свои основные

функции без непосредственного участия человека.

Теория элементов автоматики изучает принципы построения и методы расчёта элементов

автоматических

систем (датчиков, усилителей, двигателей и т.п.)

1.4. Оценка системы автоматического управления (САУ) информационными критериями

Для процесса управления большую роль играет информация о задачах управления и его фактических

результатах. Информацией в технике называют совокупность сведений, определяющих:

а) цели и задачи проведения какого-либо процесса;

б) условия его протекания, ход процесса

и результаты влияния на него внешних воздействий

(управляющих и возмущающих).

Если оценивать САУ информационными критериями, то можно наметить следующие основные схемы

автоматизации.

1. Схема автоматизации сбора информации, т.е. сведений о состоянии одного или нескольких

параметров, характеризующих тот или иной процесс или объект. Эта задача часто решается устройствами

автоматического контроля. В

подобных устройствах конечный результат контроля выражается в форме

регистрации состояния параметра или в виде сигнализации при наступлении определённых состояний.

Примеры. Автоматическая запись изменения температуры в печи; автоматическая сигнализация об

изменении нормальной величины давления газа в газопроводе или напряжения в электросети.

Рис. 1.2. Схема автоматизации сбора информации

2. Схема частично автоматизированного процесса управления, когда используется только информация

о задачах управления, но не информация о его результатах. Здесь человек может быть включён в процесс

управления, но он воздействует только на управляющий элемент автоматического устройства

(переключатель, кнопку и т.п.), последний через силовой элемент воздействует на объект. Человек может

быть заменён программным устройством. При таком способе автоматизации управления предполагается,

что все распоряжения выполняются своевременно и полностью, а поэтому достижение результатов, заранее

предвидимых, гарантируется. Если же результаты такого процесса управления где-то контролируются, то

этот контроль производит другая автономная система.

Примеры. Пуск, остановка, увеличение и уменьшение нагрузки турбогенератора, парового котла

термической печи; загрузка вагранки шихтой; все полуавтоматы.

Рис. 1.3. Схема частично автоматизированного управления

3. Схема полностью автоматизированного (автоматического) управления без участия человека,

являющаяся наиболее совершенным видом автоматизации. Она сочетает в себе использование информации

как о задачах процесса управления, так и о его результатах. Системы этого вида всегда содержат замкнутую

цепь воздействий управляющего устройства на объект и объекта на управляющее устройство.

Рис. 1.4. Схема автоматического управления

Примеры. Поддержание постоянства значения регулируемого параметра: напряжения генератора,

электрической дуги, уровня жидкости в резервуаре или шихты в вагранке, координатного положения

самолёта в пространстве и т.п. независимо от характера и закономерностей воздействий, стремящихся

изменить значение контролируемого параметра.

Если расстояние между объектами контроля, управления или регулирования и пунктом, где

воспроизводится значение регулируемой величины (или откуда даётся команда управления), становится

большим, то применяют специальные технические средства (каналы связи) для преодоления этого

расстояния. Решением этих задач занимается телемеханика. Обычно результат измерения преобразуется в

какую-либо электрическую величину, удобную для передачи по

каналу связи (ток, напряжение, частота). С

помощью телемеханики передают показания приборов, установленных в ряде удалённых пунктов систем

электроснабжения, газоснабжения, водоснабжения, на радиозондах, самолётах, ракетах и т.п. Связь

осуществляется как с помощью проводов, кабелей, так и с помощью радио и телевидения.

2. Основные понятия и определения автоматического управления

2.1. Объект автоматического

управления и его кибернетическая модель

Объект автоматического управления в технике – это техническое устройство или совокупность

устройств, которым необходимо управлять в автоматическом режиме, чтобы оно выполняло свойственные

ему функции. Простейшими примерами таких объектов являются резервуар, в котором поддерживают

заданный уровень жидкости, двигатель постоянного тока, в котором управляют скоростью вращения вала,

печи,

в которых поддерживают заданную температуру, и т.д.

Состояние объекта определяется рядом величин, характеризующих как воздействие на объект внешней

среды и управляющих устройств, так и протекание процессов внутри самого объекта. Одни из этих величин

измеряются в процессе работы и называются контролируемыми. Другие, влияющие на режим работы

объекта, не измеряются и называются

неконтролируемыми.

Величины, выражающие внешнее влияние на объект, называются воздействиями. Воздействия,

вырабатываемые управляющим устройством или задаваемые человеком, называются управляющими

воздействиями

. Воздействия на объект, не зависящие от системы управления, называются возмущениями.

Их разделяют на два вида: а) нагрузка

; б) помехи

Наличие изменяющейся во времени нагрузки

обусловлено работой объекта. От неё объект

принципиально не может быть защищён. Помехи же бывают связаны с побочными нежелательными

явлениями, и всякое их уменьшение улучшает работу объекта.

Контролируемые величины, характеризующие состояние объекта, по которым ведётся управление,

называются управляемыми, или регулируемыми величинами

. Обычно регулируемые величины в той или

иной степени характеризуют качественные показатели процесса в управляемом объекте.

Воздействие на объект и состояние объекта можно схематично представить кибернетической моделью

так называемого «чёрного ящика» (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Кибернетическая модель:

– совокупность контролируемых и неконтролируемых величин, однозначно характеризующих состояние

объекта;

– неконтролируемые воздействия (помехи);

– контролируемые воздействия (нагрузка);

– управляемые

величины;

– управляющие величины

Отдельные координаты векторов

могут совпадать. Координаты векторов

называют,

соответственно, управляющими и управляемыми координатами. Координаты векторов

называют

координатами внешних воздействий. Координаты вектора

называют координатами состояния. Эти

понятия можно пояснить примером простого объекта управления в виде резервуара с жидкостью (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Резервуар с жидкостью:

Q – приток воды – управляющее воздействие

; H – уровень воды – управляемая величина

; G – расход воды –

внешнее возмущение нагрузки

Если известно математическое описание объекта, то известна и система уравнений, связывающая

управляемые величины

со всеми внешними воздействиями на объект (

). При известных

начальных условиях эта система уравнений даёт возможность по внешним воздействиям

найти

вектор состояния

и выходные управляемые величины

. Если объект характеризуется одной

управляющей и одной управляемой величиной, т.е. векторы

имеют по одной координате, то объект

называется простым, или односвязным. При наличии нескольких взаимосвязанных координат векторов

объект называется многосвязным.

2.2. Понятие о статических характеристиках объекта управления

Каждый объект управления может рассматриваться в условиях статики и динамики. В статическом

состоянии внешние неуправляемые воздействия

и управляющие воздействия

рассматриваются

постоянными, не зависящими от времени. Характеристиками объекта являются зависимости управляемых

величин от внешних воздействий

Здесь

некоторая в общем случае нелинейная векторная функция не зависящих от времени

переменных

Если объект подвержен гармоническим воздействиям, то в установившемся режиме он также может

быть описан соотношением не зависящих от времени величин, например, амплитудами и фазами

гармонических воздействий. В этом случае его рассмотрение также сводится к анализу уравнения (1).

При изучении статики основной интерес представляет зависимость управляемых координат

от

управляющего воздействия

, называемая статической характеристикой управления. Характеристики

управления

)(

kii

uyy

могут быть монотонными, когда

∂

нигде не меняет знака (рис. 2.3, а, б) и

немонотонными (экстремальными), когда при некоторых обычно оптимальных значениях управляющей

координаты

производная

∂∂

, а справа и слева от этого значения имеет различный знак (рис. 2.3,

в).

При изучении динамики исследуется зависимость

)(ty

при заданных изменениях внешних

воздействий

)(tg

)(tu

)(tf

или их статических характеристик. При этом уравнение (1) принимает вид

где

– некоторый в общем случае нелинейный векторный оператор, дающий возможность при

известных функциях времени

)(tg

)(tu

)(tf

определить

)(ty

Если контролируемых координат

достаточно для того, чтобы однозначно определить состояние

объекта

, то объект называется полностью наблюдаемым. Если с помощью управляющих воздействий

можно однозначно задать состояние объекта, то объект называется полностью управляемым.

Если система уравнений, описывающих состояние

объекта, может быть сведена к системе линейных

дифференциальных уравнений, то объект называется линейным. При описании объекта системой

нелинейных дифференциальных уравнений его относят к нелинейным.

2.3. Понятие об устойчивом, неустойчивом и нейтральном объекте управления

Объект управления может быть устойчивым, неустойчивым и нейтральным.

Объект устойчив, если после кратковременного внешнего воздействия, например

u∆

, он с течением

времени

возвращается к исходному состоянию или близкому к нему (рис. 2.4, а).

Нелинейные объекты могут быть устойчивы в “малом” или “большом” – при воздействиях, не

выходящих за определённые пределы, и неустойчивы в “целом” при больших воздействиях. Этими

вопросами занимается новая наука синэргетика.

Если в устойчивом объекте воздействие, например

∆

, имеет продолжительность

(рис. 2.4, а), то

управляемая координата

по истечении некоторого времени

возвращается в исходное состояние или

близкое к нему. Устойчивые объекты иногда называют объектами с самовыравниванием. Для таких

объектов может быть предложена механическая аналогия в виде шарика в лунке (рис. 2.4, а).