Приведите примеры разомкнутых систем в чем их достоинства и недостатки

Достоинства и недостатки разомкнутых и замкнутых систем

+ Простота системы, особенно при одном сильном возмущении

— Усложнение структуры и конструкции при многих возмущениях

— Трудности компенсации, связанные с нелинейностью и не стационарностью параметров, в результате чего появляется большая ошибка

— Отсутствие регулирования по отношению к неучтенному (неизмеряемому) возмущающемуся воздействию

+ Регулирование по отношению ко всем возмущениям (опосредованное через выход)

+ Обеспечение чрезвычайно малых ошибок в установившемся режиме путем выбора звеньев с большими коэффициентами усиления

В настоящее время большое распространение получили комбинированные системы, в которых замкнутая система имеет устройство компенсации главного возмущения (см. пунктир в случае б).

Классификация по виду параметров и моделей

Автоматические системы
Линейные	Нелинейные
Стационарные	Нестационарные
Непрерывные	Дискретные
С сосредоточенными параметрами	С распределенными параметрами

Если в каждом звене системы связь между выходной и входной переменной линейна как в динамике, ток и в статике и система описывается линейными алгебраическими и дифференциальными уравнениями, то система является линейной. Если хотя бы в одном звене это условие нарушено – нелинейной. Если параметры системы постоянны – система стационарна, если меняются в процессе функционирования – нестационарная. Если непрерывному изменению сигнала на входе соответствует непрерывное изменение сигнала на выходе, система непрерывна, если прерывистое – дискретная.

Пример: Автоматическая система регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока

Uз – задающее напряжение

РС – регулятор скорости; СУТП – система управления ТП; РМ – рабочий механизм; ТГ – тахогенератор; Тр – трансформатор; ТП – тиристорный преобразователь

Задача регулятора состоит в том, чтобы поддерживать частоту вращения Д в заданных пределах при изменении нагрузки на валу Д. Для измерения w применяется тахогенератор, создающий напряжение , пропорциональное w. Напряжение ?? заданное значение скорости двигателя. Напряжение характеризует отклонение w от . Управляющие сигналы на ТП подаются через СУТП от полупроводникового РС. При неравенстве РС вырабатывает сигнал т.о., чтобы частота вращения w изменилась так, чтобы w уменьшилось. Это система с обратной связью по частоте вращения.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

РАЗОМКНУТЫЕ И ЗАМКНУТЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

Состояние объекта управления характеризуется совокупностью физических величин, которые называют также показателями, параметрами, координатами процесса. Например: температура, давление, скорость, ток, напряжение.

Для нормального хода технологического процесса некоторые из его координат – управляемые координаты – необходимо поддерживать постоянными (напряжение генератора, скорость электродвигателя, давление компрессора и др.), либо изменять во времени по заданному закону (скорость подъёмной установки при её пуске и остановке).

Необходимость в управлении значениями координат возникает в том случае, когда нормальный ход процесса нарушается из-за различного рода возмущений, т.е. колебаний нагрузки, воздействий внешней среды или внутренних помех.

Сами машины или устройства во многих случаях не обладают способностью поддерживать постоянство координат или изменять их по заданному закону.

Управление, которое автоматически поддерживает координаты технологического процесса неизменными или изменяет их по заданному закону, называется регулированием.

Система автоматического управления, которая в течение длительного времени автоматически поддерживает координаты технологического процесса неизменными или изменяет их по заданному закону называется системой автоматического регулирования(САР).

Система автоматического регулирования является замкнутой системой, или системой с обратной связью.

РАЗОМКНУТЫЕ И ЗАМКНУТЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Автоматические системы управления отличаются одна от другой объектами и целями управления, физической природой и конструкциями элементов управляющих устройств. Тем не менее вне зависимости от их различий все системы управления можно разделить на два больших класса – разомкнутые и замкнутые.

На рис. 2.1, а показана функциональная схема разомкнутой САУ.

Рассмотрим назначение и свойства отдельных элементов функциональной схемы:

1. ОУ – объект управления. Это объект, которым управляют: электродвигатель, буровой станок и т. д.

Параметр производственного процесса , которым мы хотим управлять, носит название управляемой или регулируемой величины. Регулируемую величину всегда принимают за выходную величину объекта управления. Вследствие большого разнообразия управляемых объектов физическая природа регулируемого параметра производственного процесса различна. Он может представлять собой угловую скорость электродвигателя, температуру, давление и расход жидкости или газа, напряжение генератора и т. д.

На объект управления поступают два входных воздействия: возмущающее f(t ) и управляющее u(t ).

Возмущающее воздействие – это воздействие, которое не зависят от управляющего устройства.

Управляющее воздействие – это воздействие, которое вырабатывается управляющим устройством УУ и поступает непосредственно на вход объекта управления.

Рис. 2.1. Функциональные схемы разомкнутой (а) и замкнутой (б) САУ

2. ИСУ – исполнительное устройство. Оно непосредственно воздействует на объект управления. Выходной величиной исполнительного устройства является управляющее воздействие u(t), поступающее на вход объекта управления. Мощность исполнительного устройства обычно велика, так как оно воздействует непосредственно на объект управления.

3. УПУ – усилительно-преобразовательное устройство. Предназначено для усиления мощности и преобразования сигналов в управляющем устройстве.

4. ЗУ – задающее устройство (задатчик регулируемой величины). Выходной величиной задающего устройства является задающее воздействие (сигнал задания) g(t).

Задающее воздействие g(t) – это воздействие, которое задаёт требуемое значение регулируемой величины .

Энергия, необходимая для установки задающего воздействия, как правило, мала по сравнению с энергией, необходимой для работы исполнительного устройства и объекта управления.

Задающее, усилительно-преобразовательное и исполнительное устройства являются основными элементами управляющего устройства УУ.

Управляющее воздействие u(t) устанавливает заданное значение регулируемой величины . Возмущающее воздействие f(t) вызывает отклонение регулируемой величины от заданного значения. Главный недостаток разомкнутых систем – отсутствие информации об объекте управления. Это может привести к значительному отклонению регулируемой величины от заданного значения при действии возмущающего воздействия и возникновению аварийной ситуации.

Несмотря на указанный недостаток область применения разомкнутых систем управления достаточно велика. Примерами разомкнутых систем являются системы автоматического пуска, остановки и реверсирования машин и механизмов, где не требуется точного регулирования скорости.

Для того чтобы автоматически уменьшить отклонение регулируемой величины от заданного значения при действии на объект управления возмущающего воздействия, необходимо применение замкнутой САУ. Замкнутая САУ содержит дополнительную связь, по которой результат измерения регулируемой величины передаётся на вход системы управления. Эта связь называется обратной связью по регулируемой величине, так как направление передачи воздействия в дополнительной связи обратно направлению передачи основного воздействия на объект.

Система управления, имеющая обратную связь по регулируемой величине, называется системой с обратной связью, илизамкнутой системой.

На рис. 2.1, б приведена функциональная схема замкнутой САУ. По сравнению с разомкнутой системой здесь управляющее устройство УУ содержит два дополнительных элемента: измерительное устройство ИЗУ и элемент сравнения ЭС.

Измерительное устройство (датчик) измеряет действительное значение управляемой величины и преобразует его в выходной сигнал, удобный для ввода в систему управления.

Выходной сигнал измерителя называется сигналом обратной связи по регулируемой величине, а коэффициент пропорциональности k_о.с –коэффициентом обратной связи по регулируемой величине. Сигнал обратной связи y(t) подается на вход элемента сравнения ЭС, где сравнивается с сигналом задания g(t). Физическая природа сигналов обратной связи и задания должна быть одинакова.

Элемент сравнения служит для определения величины отклонения регулируемой величины от заданного значения. Выходной величиной элемента сравнения является разность e(t ) двух входных сигналов g(t ) и y(t ):

.

Величина e(t) пропорциональна отклонению регулируемой величины от заданного значения и называется ошибкой регулирования. Ошибка e(t) является источником воздействия на систему. В этом случае САУ работает таким образом, чтобы уничтожить или свести к минимальному значению отклонение регулируемой величины от заданного значения при действии на объект управления возмущения f(t).

Обратим внимание на то, что в случае замкнутой САУ сигнал обратной связи должен подаваться на вход ЭС со знаком, противоположным знаку сигнала задания g(t). В этом случае обратная связь по регулируемой величине называется отрицательной.

Если сигнал обратной связи подается на вход ЭС с тем же знаком, что и сигнал задания, т.е. складывается с ним, то обратная связь называется положительной.

При подаче на вход ЭС сигнала отрицательной обратной связи (ООС) на схеме рядом с этим входом ставится знак «–» (рис 2.1, б). В случае положительной обратной связи (ПОС) знак «+» может опускаться.

Отрицательнаяобратная связь по регулируемой величине x_р уменьшает ошибку регулирования e при действии на объект управления возмущающего воздействия f.

Положительная обратная связь по регулируемой величине x_р увеличивает ошибку регулирования e при действии на объект управления возмущающего воздействия f.

Только применяя отрицательные обратные связи по регулируемым величинам, возможно решить задачу автоматического регулирования – автоматически поддерживать параметры технологического процесса неизменными или изменять их по заданному закону с требуемой точностью независимо от действия возмущающих воздействий.

В зависимости от характера изменения задающего воздействия во времени все системы автоматического регулирования делятся на три класса – стабилизации, программные и следящие.

Система стабилизации – это такая система, в которой значение задающего воздействия постоянно, не меняется во времени:

Системы стабилизации применяют для поддержания постоянства физических величин, характеризующих состояние объекта управления. Примером системы стабилизации является система регулирования давления компрессорной установки.

Программная автоматическая система – это такая система, в которой задающее воздействие является заранее заданной функцией времени g(t).

Программной системой является автоматическая система управления подъемной установкой, которая должна формировать требуемую диаграмму скорости подъёмного сосуда.

Следящая автоматическая система – это такая система, в которой закон изменения задающего воздействия заранее неизвестен. Следящие системы используют обычно для перемещения объектов в пространстве. Управляемой величиной в этом случае является либо расстояние перемещаемого объекта от какой-либо начальной точки, либо угол поворота вращаемого объекта относительно начального положения.

Цель управления в стабилизирующих, программных и следящих системах – это обеспечение равенства или близости регулируемой величины к её заданному значению.

Источник

Функциональная схема разомкнутой САУ. Её достоинства и недостатки, область применения.

Функциональная схема замкнутой САУ. Достоинства и недостатки область применения.

Обратная связь, осуществляемая через устройство измерения УИ, позволяет автоматически следить за У, определять отклонение eи регулятор Р будет уменьшать или устранять полностью это отклонение независимо от того, чем вызвано это отклонение, внешними возмущающими воздействиями или свойствами самого объекта (инерционностью, нестабильностью технологических параметров, изменением технических характеристик объекта в процессе эксплуатации). Поэтому такие САУ с отрицательной обратной связью получили наиболее широкое распространение.

Широкое техническое применение, была система автоматического регулирования с центробежным регулятором в паровой машине Уатта.

Системы автоматического регулирования предназначены для решения трех задач: стабилизации регулируемой величины (стабилизирующая САР), изменения регулируемой величины по известной (программная САР) или неизвестной (следящая САР) программам.

Преимущества такого способа управления:

· Большая гибкость и приспособляемость к различным условиям эксплуатации САУ.

· Возможность уменьшения влияния любых внешних возмущений на объект управления.

· Малая чувствительность к изменению параметров регулятора и объекта управления.

· Невозможность полного устранения влияния возмущающих воздействий на величину вектора выходных состояний объекта управления.

· Возникновение проблем с устойчивостью САУ при попытках увеличения коэффициента усиления системы.

Функциональная схема комбинированной САУ. Достоинства и недостатки область применения.

Для повышения качества управления применяются САУ, объединяющие достоинства компенсационных и замкнутых САУ рис выше.

Такие САУ называются комбинированными. В этом случае компенсационные связи делаются по наиболее сильнодействующим возмущениям, а действие остальных возмущающих воздействий нейтрализуется за счет обратной связи.

Достоинства:

Наличие ООС делает систему менее чувствительной к изменению параметров регулируемого объекта.

Добавление канала(ов), чувствительного к заданию или к возмущению, не влияет на устойчивость контура ОС.

Недостатки:

Каналы, чувствительные к заданию или к возмущению, обычно содержат дифференцирующие звенья. Их практическая реализация затруднена.

Не все объекты допускают форсирование.

Типовые регуляторы и их структура.

Функциональная схема П-регулятора с сервоприводом с пропорциональной или интегральной скоростью перемещения изображена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема регулятора, состоящего из усилителя, сервопривода и отрицательной обратной связью

Отрицательная обратная связь в регуляторе осуществляется по положению регулирующего органа путем подачи на вход устройства обратной связи сигнала с выхода сервопривода. Конструктивно обратная связь осуществляется с помощью механической, электрической или другой передачи в зависимости от типов сервопривода и командно-усилительного устройства. Характеристики П-регуляторов (операторная и частотная) имеют вид:

Для того, чтобы приведенное выше выражение было тождественно уравнению пропорционального регулятора x_р = K_р y*, необходимо выполнить условие:

В соответствии с этим условием обратная связь должна выполняться на базе безинерционного усилительного звена. Коэффициент усиления звена обратной связи k_о.с = д = 1 ⁄ K_р называют степенью жесткой (т. е. неизменной во времени) обратной связи.

П-регуляторы имеют орган настройки для изменения д (K_р ), который служит параметром его настройки. Переходная характеристика реального П-регулятора (рис. 2) несколько отличается от идеального в начальной своей части из-за ограниченной скорости сервопривода.

Рис. 2. Кривая переходного процесса П-регулятора

Функциональная схема ПД-регулятора представлена на рис. 3, а. Дифференцирующая составляющая формируется специальным прибором — дифференциатором, обладающим характеристикой реального дифференцирующего звена. На его выходе формируется сигнал, пропорциональный скорости изменения регулируемой величины.

Рис. 3. ПД-регулятор: а — структурная схема; б — кривая переходного процесса

Скоростной сигнал суммируется с сигналом по отклонению регулируемой величины. Результирующий сигнал поступает на вход усилителя. Усилитель и сервопривод охватываются жесткой отрицательной обратной связью. В замкнутом контуре усилитель— привод — обратная связьформируется П-закон регулирования с коэффициентом усиления K_р.Динамическая характеристика реального ПД-регулятора имеет вид

Переходная (временная) характеристика ПД-регулятора с сервоприводом с ограниченной скоростью изображена на рис. 3, б и представляет собой сумму временных характеристик пропорционального и реального дифференцирующего звеньев. Параметром настройки собственно регулятора служит K_р (степень обратной связи д); параметрами настройки дифференциатора служат коэффициент усиления К_д и постоянная дифференцирования Т_д ,произведение которых характеризует степень ввода дифференциальной составляющей в ПД-закон регулирования.

3. ПИ-регулятор

Рис. 4. Структурные схемы ПИ-регуляторов:

а — сервопривод охваченООС;б— сервопривод не охвачен ООС

В первом варианте устройство обратной связи должно иметь динамическую характеристику реального дифференцирующего звена

В этом случае регулятор в целом независимо от типа сервопривода воспроизводит динамику ПИ-регулятора

т.е. передаточную функцию ПИ-регулятора, описываемого также дифференциальными уравнениями

и

В промышленных ПИ-регуляторах в качестве обратных связей используют различные устройства: электрические, пневматические и гидравлические. Но все они служат аналогами реального дифференцирующего звена, имеют соответствующие ему динамические характеристики, и называются устройствами гибкой или упругой (изменяющейся во времени) обратной связи.

При втором варианте исполнения ПИ-регулятора (рис. 4, б) возможны два случая: 1) сервопривод имеет характеристику интегрального звена (например, электрический или гидравлический сервопривод с переменной скоростью); 2) сервопривод обладает характеристикой пропорционального звена (мембранный сервопривод с уравновешивающей пружиной). В обоих случаях в соответствии с правилом определения результирующей характеристики двух последовательно включенных звеньев

При использовании сервопривода с передаточной функцией интегрального звена W_с.п (p) = 1⁄ T_Р передаточная функция регулятора имеет вид

При этом для формирования ПИ-закона с помощью устройства обратной связи необходимо, чтобы выдерживалось соотношение

что обеспечивает обратная связь с оператором

Рис. 5. Переходный процесс в устройстве Рис. 6. Переходный процесс ПИ-регулятора обратной связи

Последнее уравнение служит оператором инерционного звена первого порядка. При охвате К_у такой обратной связью оператор регулятора в целом имеет вид

Если сервопривод имеет характеристику пропорционального звена и не охватывается обратной связью (рис. 4, б), то для того, чтобы выполнялось условие (3.2), W_{о. c} (p) должно быть реальным дифференцирующим звеном.

Постоянная времени ПИ-регулятора Т_и численно равна подкасательной Т_д к переходной кривой реального дифференцирующего звена (рис. 5).

Промышленные регуляторы имеют специальные приспособления— органы настройки для изменения K_р (д) и Т_и в достаточно широких, но ограниченных пределах. Так как подача на вход регулятора ступенчатого сигнала не составляет труда, фактически установленные значения К_р и T_и можно легко определить из его экспериментальной переходной кривой (рис. 6). Наклонный участок OA на кривой объясняется наличием у промышленного ПИ-регулятора сервопривода с конечной (ограниченной) скоростью перемещения выходного вала редуктора. Из этого графика следует, что

Из уравнения динамики идеального ПИ-регулятора следует, что К_р /Т_и определяет степень ввода интегральной составляющей в ПИ-закон регулирования

Действительно, при безграничном увеличении Т_и второй член в

в реальных регуляторах формируется путем последовательной (рис. 7, а) или параллельной (рис. 7, б) коррекций ПИ-регулятора с помощью реального дифференцирующего (РД) звена. В обоих случаях ПИД-закон воспроизводится лишь приближенно.

При последовательной коррекции

При параллельной коррекции

Рис. 7. Последовательная (а) и параллельная (б) коррекция ПИ-регулятора с помощью дифференцирующего звена

Рис. 8. Переходные характеристики ПИД-регуляторов

Метод затухающих колебаний

Применение этого метода позволяет настраивать регуляторы без выведения системы на критические режимы работы. Так же, как и в предыдущем методе, для замкнутой системы с П-регулятором, путем последовательного увеличения K_p добиваются переходного процесса отработки прямоугольного импульса по сигналу задания или возмущения с декрементом затухания D = 1/4.

Далее определяется период этих колебаний T_к и значения постоянных интегрирования и дифференцирования регуляторов T_и и T_д

После установки вычисленных значений T_и и T_д на регуляторе необходимо экспериментально уточнить величину K_p для получения декремента затухания D = 1/4. С этой целью производится дополнительная подстройка K_p для выбранного закона регулирования, что обычно приводит к уменьшению K_p на 20 ÷ 30%. Аналогичный метод настройки используется в адаптивных регуляторах американской фирмы «Фоксборо».

Функциональная схема разомкнутой САУ. Её достоинства и недостатки, область применения.

Для автоматического управления объектом, как минимум, необходимо специальное техническое устройство, вырабатывающее требуемое управляющее воздействие. Такое устройство называется регулирующим или просто регулятором. Следовательно, простейшая функциональная система управления будет состоять из объекта управления ОУ и регулятора Р

Рис. Разомкнутая САУ

Регулятор Р вырабатывает управляющий сигнал U в зависимости от целей управления, задаваемых сигналом g_з, называемый задающим, который подается на вход регулятора. Этот задающий сигнал может изменяться вручную или специальным задающим устройством ЗУ.

Если целью управления является стабилизация выходной величины У, то g_з должна быть также постоянной величиной (g_з = const). Такая САУ называется системой стабилизации.

Если величина У должна меняться по заранее известному закону, то ЗУ должно вырабатывать сигнал g_з по определенной программе. Такая САУ называется системой программного управления.

В том случае, когда роль ЗУ играет другой технологический агрегат, с которым объект управления должен работать согласованно, и закон изменения g_з заранее не известен, САУ называется следящей.

Роль регулятора Р состоит в выработке управляющего сигнала по такому закону во времени U(t), который обеспечит с необходимой точностью достижение целей управления.

Простейшая САУ, представленная на рис., применима только при невысоких требованиях к точности управления, т.к. на объект управления действуют возмущения f. Для их нейтрализации применяют более сложную САУ.

Недостаток разомкнутых САУ — малая точность выполнения заданного закона управления, так как возмущающие воздействия не компенсируются. Поэтому такие системы в основном применяют для автоматизации процессов пуска и останова машин и механизмов, когда не требуется точное выполнение заданного закона изменения скорости (насосы, вентиляторы, конвейеры, компрессоры и др.), а также для обеспечения требуемой последовательности рабочих операций.

4. Функциональная схема САУ c компенсацией возмущения. Её достоинства и недостатки, область применения.

Рис. Система управления с компенсацией возмущения

Система дополнительно содержит связь между регулятором и возмущающим воздействием с помощью устройства измерений (УИ) или датчика этого воздействия. Благодаря такой связи регулятор может компенсировать действие возмущения на выходную величину У с помощью управляющего воздействия U.

Принцип регулирования по возмущающему воздействию часто называется также принципом компенсации возмущений, а САУ называется компенсационной. Она обеспечивает более точное достижение целей регулирования по сравнению с простейшей разомкнутой системой, но имеет ряд существенных недостатков. Во-первых, возмущающих воздействий, как правило, много, и, во-вторых, эти воздействия сложно и довольно часто просто невозможно измерить.

Например, для стабилизации температуры в помещении можно измерять температуру наружного воздуха и в зависимости от этого автоматически управлять нагревательными приборами. Но этого будет недостаточно.

Необходимо еще измерять силу и направление ветра, время суток, облачность, состояние вентиляционных устройств и т.д.

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Источник