Построение функциональной схемы автоматического управления с усилителем мощности

Министерство образования  и науки Самарской области

 государственное  бюджетное образовательное учреждение  среднего профессионального образования

«Тольяттинский технический  колледж ВАЗа»

Курсовой  проект

по дисциплине

«Устройство автоматического управления»

На тему

«Построение функциональной схемы автоматического  управления с усилителем мощности»

                                           КП 12.151001.01 ПЗ

Разработал  студент:  ТМ-09-41    _________/Семенова А.В./

                                                                   ^Группа               Подпись                   ^{Ф И.О.}

Руководитель  проекта:                                       /Тапилина Т.В./

         Подпись

Оценка за качество и соблюдение Государственных стандартов                __________

Оценка за ритмичность                                                                                    ___________

Оценка за защиту курсового проекта                                                             ___________

Общая оценка                                                                                                  ___________

Тольятти 2012

Содержание

Введение………………………………………………………………………….3

1 Основные понятия  и определения…………………………………………….4

2  Примеры систем  автоматического управления……………………………..5

3  Цели и принципы  автоматического управления…………………………...14

4 Типовая функциональная схема  системы автоматического управления…16

5  Математические модели  САУ………………………………………………18

6  Классификация и  структурные схемы САУ………………………………..20

 Список используемой  литературы……………………………………………28

Ведение

Теория автоматического  управления — это  область науки  и техники,   охватывающая   теорию  и  принципы   построения  систем  управления,  действующих  без  непосредственного   участия   человека.

           В  настоящее   время   автоматические  системы   широко  применяются  во  всех   областях  деятельности  человека —  в  промышленности,   на транспорте,   в  устройствах   связи,   при   научных   исследованиях   и  др.

Во  многих  отраслях  техники   возможность  автоматизации   управления   определяет  дальнейшее   их  развитие.  Так,   без  автоматизации невозможно   построение  энергетических  систем  (в   частности,  атомных),  современных  химических   и   металлургических  производств, пилотируемых,  беспилотных  и  космических  летательных   аппаратов  и  др.

С  экономической  точки   зрения  автоматизация   является  одним   из 

перспективных  направлений  развития  всех   отраслей  науки   и  техники, так  как  она  способствует повышению  производительности труда,

снижению   материальных,   энергетических  и  людских   затрат,  а  следовательно,  повышению   эффективности  любого  производства.

В  различных  технологических   и  производственных   процессах   величины,   их  характеризующие,   должны   удовлетворять   определенным  

условиям.  Например, в энергосистемах необходимо поддерживать на 

конкретном   уровне  значения  напряжения   и  частоты,  в  авиации,  ракетной технике  и космонавтике —  управлять  движением летательных  

аппаратов   по  высоте,   заданному   направлению  (курсу)  или   траектории   в  пространстве,  на  производстве —  обеспечивать  работу  отдельных   станков,   участков  и  цехов  в  автоматическом   или   автоматизированном  режимах.

Создание условий, гарантирующих требуемое протекание  любого  процесса,  называется  управлением.  Машина,  аппарат,   агрегат,   комплекс   машин  или   система,  в   которых   протекает   процесс,  подлежащий  управлению,  называются  объектами  управления.

1. Основные понятия и определения

Теория  автоматического   управления  (ТАУ) —   это   совокупность 

методов   и   специального   математического  аппарата,   позволяющая 

спроектировать  работоспособную  промышленную  систему   автома-тического   управления  (САУ),  отвечающую  заданным   требованиям 

по  качеству   ее   работы.

Система автоматического  управления — это  совокупность тех-нических  средств  для   управления  регулируемым   параметром,   в  ко-торой  вычислительные  и логические операции осуществляются  с по-мощью  специальных  технических   устройств:   автоматического   регу -лятора,  программируемого   контроллера   или   управляющей  вычисли-тельной   машины   (УВМ).

Основной частью (узлом, элементом) САУ является  объект  управ ­

ления  — техническая  установка  или  технологическая  цепь установок,  

физико-химические  процессы  в  которых   управляются   (регулируются)  с  помощью  специальных  технических   средств.

Технологические   параметры  —  это   физико-химические  величины,   характеризующие  состояние   технологического  процесса  в   объекте  управления (например, температура, давление,  скорость вращения   и  др.).

Регулируемый   параметр  —  это   технологический   параметр,   значением  которого  управляют  с   помощью  специальных  технических  

средств.   Число   регулируемых  параметров,   как   правило,  значительно  

меньше  общего  числа   технологических   параметров.

Система  ручного   регулирования   (СРР) —  это   совокупность  тех-нических  средств  для   управления  регулируемым   параметром,   в  ко-торой   вычислительные   и  логические  операции  осуществляются   че-ловеком —  оператором.   Принято  считать,   что   такая   система   замкнута   на  человека,  или   в  техническом   смысле  разомкнута.

Под   воздействиями  в  теории  автоматического   управления  понимают  факторы,  изменяющие  течение   технологического  процесса  в объекте   управления.   Различают   возмущающие   и  управляющие  воздействия.

Возмущающие   воздействия   носят  случайный,  трудно  предсказуе -мый  характер.  К  ним   относятся,   например,   изменение   температуры  

наружного   воздуха,   колебания   напряжения   в  электросети   и др.

Управляющие  воздействия  на  объект  управления  организуются 

техническим   устройством   (в   САУ)  или   оператором  (в   СРР)  для   ком -пенсации  влияния   возмущающих   воздействий.

Под   сигналами  в  ТАУ   понимают   совокупность  потоков   энергии  

или   вещества,   поступающих  в  объект  управления  или   выходящих  из 

него,  возмущающие   и  управляющие  воздействия,  а  также   регулиру-емые  параметры.

По  направлению  различают   входные   и  выходные   сигналы   объекта  управления.  Так,  возмущающие  и управляющие воздействия  будут входными   сигналами   для   объекта   управления;   регулируемый   же  параметр  в  ТАУ   всегда   принимают  за   выходной   сигнал  объекта   управления,  даже  если  он  физически  не  выходит   за   пределы   объекта   (например,   температура   в  топке   котла,   уровень   вещества  в  бункере,  напряжение  на  обмотках  электродвигателя  и  др.).

2 Примеры систем автоматического управления

Параметры  технологических   процессов   (ТП),   их  характеристики 

изменяются   по  определенным   законам   (или  могут  быть  постоянны).  

Для   достижения   целей   управления  во  всех   отраслях  техники   возникает   необходимость  изменения  параметров  с  учетом  заданного   закона.  Для   этого  используют  функциональные  модели,  изображаемые   в виде  схем  (рис.  1.1,  а),   на  которых   элементы  САУ  обозначают  прямоугольником   с  надписью,   а  сигналы,  поступающие  на  эти   элементы, —   стрелками.

Любой  параметр  процесса,   представляющий  собой   изменение 

среды,  является  сигналом.   Он  может   быть  механическим,  электрическим,   электромагнитным,  оптическим   и  т.д.   Параметры,  содержащие   информацию,  называются  информационными.  Например,  сигналом  является электрическое  напряжение,  информационным  параметром —  амплитуда   этого  сигнала.

Аналоговым   называется  сигнал  f(t),   информационные  параметры 

которого могут принимать любые значения в заданном числовом интервале   а… b, рисунок 1,  б.

Дискретным  считается   сигнал,  информационные  параметры  ко-торого  принимают  только  дискретные  значения.

Рассмотрим   конкретный   технологический   процесс —  регулирование   температуры  в  электропечи   для   закаливания   металла.   Для реализации этого процесса электропечь  снабжается управляющим  (или 

регулирующим) органом, с помощью которого можно управлять  про цессом  закаливания —  изменять  температуру   в   соответствии  с   заданным   законом.

Создание  условий,  обеспечивающих  требуемое   протекание  процесса  закаливания,  т.е.   поддержание  необходимого  режима,   называется   управлением.  Управление  может   быть  ручным   или   автоматическим.   При  ручном  управлении  воздействие   на  управляющий   орган  осуществляет  человек,   наблюдающий   за   ходом   процесса. Функциональной схемой называется символическое изображение всехфункциональных  элементов   технологического  процесса  и  связей   между   ними,  отражающее   последовательность  процессов   в   системе.

Рисунок 1- Функциональный  элемент   САУ:

а — схема  прохождения сигнала;  б — аналоговый сигнал f(t)

Рисунок 2 -  Функциональная  схема   технологического  процесса  закаливания металла  в  электропечи

Представим с помощью функциональной схемы  технологический  

процесс   закаливания   металла   в   электропечи   с   участием  оператора,  

рисунок 2.   Данная  система   поддерживает  необходимый  режим,  т.е.  

изменение  температуры  у(t) в электропечи  по заданному  закону. Для  

обеспечения  требуемого процесса электропечь  снабжается двумя  элементами: термопарой,  с выхода которой  получают электрическое  напряжение  x(t),   пропорциональное   температуре   в  электропечи,  и  реостатом,  с  помощью  которого  меняется  сопротивление  в  цепи  ее   нагрева.   При  увеличении  сопротивления  ток   в  цепи  нагрева  уменьшается,  а   следовательно,  уменьшается  и   температура   в   электропечи. 

При  уменьшении   сопротивления  ток   возрастает   и  температура   увеличивается.

С  учетом  показаний   прибора,  на  котором   фиксируется   реальная 

температура  в электропечи, и того, в какую  сторону  она  отклонилась  

от  заданного   значения,   оператор  перемещает  движок  реостата.  При 

этом  отклонение  реальной  температуры  в  электропечи   от  заданной 

не  должно   превышать  допустимого   значения  ε ( t ).   В   системе   имеет  

место  так   называемая  обратная   связь  (ОС).   Важнейшее  звено   рассмотренного  технологического процесса — оператор, следовательно,  

эта  система   является  ручной.

При  автоматическом   управлении   процессом  воздействие   u ( t )   на

управляемый  орган   (реостат)  осуществляет  специальное   управляющее  устройство.  Рассмотрим   схему   реализации  приведенного  технологического   процесса  без  участия   человека,  в  которой   перемещение движка  реостата   в  зависимости   от  наблюдаемого   отклонения  температуры  выполняется  с   помощью  двигателя   (привода). Поскольку с выхода термопары получают сигнал очень небольшой мощности  (недостаточной   для   питания   даже  небольшого  приводного  двигателя), в  схему   вводят  промежуточное  звено —   усилитель   мощности.  Схема  реализации процесса закаливания  металла в электропечи  без участия человека представлена на рисунок 3, а.  Здесь сигнал у(t) (заданной  температуры в печи) называют управляющим , сигнал х(t) (реальной  тем -пературы) —  управляемой  переменной ,   а   систему,  реализующую  процесс   закаливания, —   системой   автоматического   управления.

Для   улучшения  качества  управления   (например,   уменьшения ошибки   ε(t),   степени   колебательности   и   т.д.)  в   систему   вводят  до-полнительный   элемент —   регулятор.   Тогда  схема   САУ,  представлен -ная   на  рисунок 3,   а,  будет  иметь   вид,   показанный   на  рисунок 3,   б.

При  создании  и   функционировании  САУ  параметры  элементов  

4 … 8  остаются  неизменными,   поэтому   часть  системы,  включающая 

в себя эти  элементы,  носит  название неизменяемой. На практике не-изменяемую   часть  часто  называют  объектом  управления,   а  к  управ -ляющему устройству  относят  лишь регулятор.  Именно его параметры 

изменяются   в  процессе  проектирования   САУ.

Рассмотрим еще  несколько  примеров конкретных  автоматических 

систем.

Рисунок  3  - Автоматическая  система,   реализующая  процесс   закаливания   металла   в  электропечи:

а  —  функциональная   схема;   б  —  измененная  функциональная   схема;   1  —  задающее устройство;  2  —  сравнивающее   устройство;  3  —  регулятор;   4  —  усилитель   мощности; 5 —  привод  (двигатель);   6  —  реостат;   7  —  электропечь;  8  —  измерительное   устройство (датчик); I — неизменяемая  часть САУ; II  — регулятор  (изменяемая  часть САУ)

В  энергетике  используется  много   САУ,  предназначенных  для   ре-гулирования  уровня жидкости,  например автоматические регуляторы 

уровня  в  парогенераторах,  конденсаторах,  компенсаторах  давления,  

барабанах-сепараторах    и   др.  Большинство  из  перечисленных  САУ 

построены  по  схеме,   показанной  на  рисунок 4,   а.

Уровень   жидкости  h(t)  зависит   от   разности  двух   величин:  ее   притока  Gп и  расхода  Gр.  Если  Gп >  Gр,  уровень   растет,  и  наоборот,  при  Gп< Gр уровень  уменьшается. Приток Gп можно изменять посредством

регулирующего  клапана   (РК),   который   управляется   электроприводом 

(П).   Сигнал,  соответствующий  действительному   уровню  h(t),   измеря-ется   уровнемером  (УМ)   и  сравнивается  с  заданным   уровнем   hз.

В  зависимости   от  значения  и  знака   сигнала   рассогласования   ε(t) 

регулятор   посредством   электропривода  увеличивает   (при  ε  >  0)   или  

уменьшает  (при  ε  <  0)   приток  жидкости  Gп,  поддерживая  равенство  между   Gп  и  Gр при   заданном  уровне  hз.

Рисунок 4 - Схемы  системы   автоматического   регулирования   уровня  жидкости:

а  —  принципиальная;  б  —  функциональная;  1  —  задающее  устройство;  2  —  сравнивающее  устройство;  3  —  регулятор;   4  —  усилитель мощности;  5  —  привод;   6  —  регулирующий   орган   (клапан);  7  —  объект  управления;   8  —  уровнеметр;   9,  10  —  линейные

расходомеры

Изменение  расхода  Gр  нарушает  баланс  в  схеме,   т.е.   Gр является 

возмущающим   сигналом. Для   повышения  точности  регулирования   наряду с сигналом ε(t) используется сигнал Gп, который обеспечивает местную ОС,  или  так  называемое  комбинированное   регулирование. Выходной  сигнал некоторых расходомеров (РМ)пропорционален квадрату расхода жидкости,  поэтому  цепи измерения  их расходов со-держат  блоки   извлечения  корня   (БИК).

Воспользовавшись  стандартными  обозначениями можно записать: 

сигнал  на  входе  системы   (заданное   воздействие)  у(t)  =  hз;  сигнал  на 

выходе  системы   (уровень  жидкости)   x(t)  =  h(t);   сигнал  возмущения  

(расхода   жидкости)   n(t)  =  Gр(t).

Функциональная  схема   САУ  уровнем   жидкости  может   быть  представлена  в  виде,  изображенном   на  рисунок 4,   б.

Ранее   рассмотрены  замкнутые  системы,  в   которых   имеет   место 

обратная  связь,   т.е.   сравнение   входного  сигнала   (эталона)   с  выходным (реальным значением регулируемой  величины). Кроме того, 

существуют  автоматические  системы   разомкнутого  типа.  В  разомкнутых   системах  для   выработки  управляющего   воздействия   u(t)  (сигнала  с   выхода  регулятора)   используется  только  информация  о   цели управления  у(t),   а  действительное  значение  выходной   управляемой 

переменной   х(t)  не  контролируется.

В   качестве   примера   рассмотрим   разомкнутую  САУ  числом  обо -ротов   электродвигателя  постоянного   тока, рисунок 5,   а.

При  ручном  разомкнутом  управлении   нужное  число   оборотов 

двигателя,   пропорциональное   напряжению  на  входе   усилителя,  задается  оператором   путем   перемещения  движка  потенциометра  1 . 

С выхода  потенциометра  сигнал  поступает   на  усилитель   2,  вызывая  

изменение  тока  в   якоре   электродвигателя  3   и   соответственно  его 

угловой  скорости,  которая  измеряется тахогенератором  4  со стрелочным  прибором,   но  не  используется  для   замыкания  системы.

Вследствие  старения,   износа,  неточности  исполнения   элементов  

и  колебаний   температуры  градуировка   системы   (в   которой   каждому 

положению движка потенциометра должно соответствовать заданное 

число   оборотов  двигателя   в   установившемся   режиме)   нарушается,  

поэтому   системы,  работающие   по  разомкнутому   циклу,  часто  не  могут  обеспечить  высокое   качество  работы  (высокую   точность).   Данную   систему   можно  автоматизировать,   при   этом  схема   будет  функционировать  по  замкнутому   циклу,  т.е.   по  принципу   ОС,   и,   следовательно,  качество  ее   работы  повысится.  Функциональная  схема   такой   замкнутой   системы   представлена  на  рисунке 6.

Рисунок 5 - Функциональная  схема   разомкнутой  САУ  числом  оборотов  электродвигателя:

1  —  потенциометр;   2  —  усилитель;   3  —  электродвигатель;  4  —  тахогенератор   со  стрелочным  прибором

Рисунок 6 - Функциональная  схема   замкнутой   САУ  числом  оборотов  электродвигателя:

1 — потенциометр;  2 — регулятор;  3 — усилитель;  4 — электродвигатель; 5 — тахогенератор

В системе с замкнутым  циклом в отличие от  разомкнутой  системы имеет место сравнение реального числа оборотов двигателя с требуемым.   Сигнал  рассогласования   (ошибки)   ε(t)  поступает   на  регулятор   2  и  усилитель 3,  т.е. управляет электродвигателем 4,  а  стахогенератора 5 идет сигнал, пропорциональный 

скорости, на регулирующий  потенциометр   1 .   Выбор  структуры   и   параметров  регулятора  2 должен  обеспечить  высокую  точность  работы  системы.  Замкнутая  система   не  требует   точной  градуировки:  ее   точность  сохраняется   и при   отклонении   параметров  от  эталонных   из-за  старения  элементов  или   по  другим  причинам.

При управлении с ОС значение управляющей переменной  постоянно  сопоставляется  с   ее   заданным   (эталонным)  значением.  Цель 

управления —   сделать  эти   величины   близкими   несмотря  на  различные   помехи.

Контур  управления —  это   система,   состоящая   из  объекта   управления   и  регулятора  (управляющей   системы,  с  помощью  которой   добиваются  нужного   качества   управления).

3  Цели и принципы автоматического управления

Задачей   управления  является  изменение  протекающих  в  объекте  

управления процессов  посредством  соответствующих команд для  достижения   поставленной  цели.

Таким   образом,  системой   автоматического   управления  называется  система,  представляющая  собой  совокупность объекта  управления  и управляющего  устройства, обеспечивающего процесс  управления,  т.е.   целенаправленное   воздействие,   приводящее   к  желаемому изменению  управляемых  переменных.

Фундаментальными  принципами   управления  являются:

•принцип  разомкнутого  управления;  

•принцип компенсации — управления по возмущению  (если  возмущающие  воздействия   в  системе   велики,   для   повышения  точности 

разомкнутой  системы   на  основе  измерения  возмущений   в  алгоритм 

управления   вводятся  коррективы,   компенсирующие  влияние   этих 

возмущений);

принцип  ОС.  

Для   систем,   работающих   по  принципу   обратной  связи,   характерны:

•наличие   ОС;  

•преобразование  слабых  управляющих  сигналов  на  входе,   идущих   от  измерительного  устройства,   в   достаточно  мощные   воздействия   на  объект  (ток   в  цепи  нагрева);

•наличие   ошибки   ε(t),   являющейся   движущим  сигналом  для   системы,  работающей   на  уменьшение   этой  ошибки;

•замкнутость   системы   через  ОС,   реализуемую  с  помощью  измерительного  устройства —  термопары.  Измерительный  (чувствительный)  элемент   в  этом  случае   служит  не  просто  для   регистрации   температуры,   а  для   формирования  сигнала   рассогласования   ε(t),   являющегося  входным  для   усилителя,  сигнал  с  которого  затем   подается  на вход  системы.

Использование  принципа   ОС  позволяет   дать   еще   одно  определение  САУ с акцентом на особом значении этого принципа:  САУ — это  система,   стремящаяся  сохранить   в  допустимых   пределах  рассогласование   (ошибку)  ε(t)  между   требуемыми   у(t)  и  действительными  х(t) значениями   управляемых  переменных   с  помощью  их  сравнения   на основе  принципа   ОС  и  использования  получаемых  при   этом  сигналов   для   управления.

4 Типовая функциональная схема системы автоматического управления

Приведенные  примеры  позволяют   представить   типовую   функциональную   схему   САУ, рисунок 7.   Рассмотрим  назначение  каждого из элементов   этой  схемы.

Задающее  устройство 1 преобразует воздействие  уз(t) в сигнал у(t),  а  сравнивающее   устройство  2  в  результате   сравнения   сигнала   у(t)  и 

регулируемой  величины   х(t)  (предполагается,   что   элементы  10  и  11 

не  искажают  сигнал  х(t))   вырабатывает  сигнал  ошибки   ε(t).   Сравни-вающие   устройства  2,  5  также   называют  датчиками   ошибки,  отклонения,  рассогласования.

Преобразующее  устройство  3  служит  для   преобразования  одной  

физической  величины   в  другую,   более   удобную  для   использования 

в  процессе  управления  (во   многих  системах  преобразующее  устройство  отсутствует).

Регуляторы  4,  8  служат  для   обеспечения   заданных  динамических  

свойств   замкнутой   системы.  С  их  помощью  обеспечивается  высокая  

точность  ее   работы  в  установившемся   режиме,   а  также   демпфируются  сильные   колебательные   процессы  (например,  летательных   аппаратов). Более того, введение в систему  регулятора  позволяет устранить 

незатухающие   или   возрастающие   колебания   управляемой   величины.  

Иногда  регуляторы  вырабатывают   управляющие  сигналы   (команды)  

в зависимости  от возмущающих  воздействий, что существенно  повышает  качество  работы  систем,   увеличивая  их  точность.

Исполнительное  устройство  7   предназначено  для   влияния  на 

управляющий   орган   9 ,   подвергающийся  воздействию   внешних  полей   n ( t ).   Исполнительные  устройства  могут  быть  пневматические,  

гидравлические  и  электрические.

Пневматические исполнительные  устройства имеют сравнительно  малые   габаритные  размеры   и массу,   но  требуют   большого  расхода сжатого газа. Гидравлические исполнительные  устройства способны  преодолевать  большие  нагрузки  и  практически   безынерционны.  Их  недостаток —  большая  масса.   Электрические  исполнительные  устройства  достаточно  универсальны   и  отличаются  удобством   подведения   к  ним   энергии.  Вместе  с  тем   их  использование   требует  наличия   достаточно  мощного  источника   тока.  В   некоторых  САУ  исполнительный   механизм  отсутствует  и   воздействие   на  объект  осуществляется  изменением   состояния   управляющей  величины   (тока,  напряжения)  без  помощи   механических  устройств.

Чувствительный  (измерительный)  элемент —  датчик  10 —  необходим   в  САУ  для   преобразования  управляемых  переменных   в  сигналы  управления  (например,  угла   в  напряжение).

Элемент,  который   подвергается  управлению,  является  объектом