Раздел 2 Основы теории систем автоматического управления

Тема 2.1 Замкнутые системы автоматического управления непрерывного действия

Содержание программы

Понятие о замкнутых системах автоматического управления непрерывного действия, их видах. Воздействия, виды воздействий, динамические характеристики систем автоматического регулирования (САР). Типовые динамические звенья САР и их динамические свойства. Понятие об устойчивости, обратной связи САР, показатели качества САР.

Методические указания

Автоматическим регулятором называется устройство, которое без непосредственного участия человека осуществляет функции контроля и управления процессом, воздействующим на некоторую физическую величину таким образом, что количественное значение этой величины выдерживается равным заданному значению с требуемой степенью точности. Следовательно, автоматический регулятор должен выполнять следующие функции:

- измерять регулируемую величину;

- сравнивать измеренное значение регулируемой величины с заданным значением;

- осуществлять воздействие на регулируемый процесс в соответствии с величиной и знаком ошибки таким образом, чтобы уменьшить ошибку регулирования до нуля или до некоторого допустимого значения.

Необходимо рассмотреть принципы регулирования (принципы построения систем автоматического регулирования (САР)):

- регулирование по отклонению; - регулирование по возмущению;

- комбинированное регулирование,

Существует большое разнообразие САР. Их можно классифицировать по различным признакам:

- в зависимости от характера взаимодействия регулятора и объекта (разомкнутые и замкнутые);

- в зависимости от того, используется в САР усилитель, потребляющий энергию от внешнего источника, или нет, САР подразделяются на системы прямого и непрямого действия (по виду используемой вспомогательной энергии системы непрямого действия делятся на электрические, гидравлические, пневматические и комбинированные);

- в зависимости от характеристик элементов (линейные и нелинейные); - по характеру воздействия одних устройств на другие (непрерывного и дискретного действия);

САР дискретного действия в свою очередь делятся на релейные и импульсные;

- от числа регулируемых параметров (одно- и многомерные системы);

- в зависимости от характера реакции САР на влияние внешних
факторов, стремящихся изменить регулируемую величину (статические и астатические).

Под воздействием понимают любой фактор, приводящий к изменению состояния системы. Воздействия могут возникать в результате действия, как внешних факторов, так и внутренних. Внешние воздействия могут быть двух видов: управляющими и возмущающими. Возмущающие воздействия подразделяются на основные и второстепенные (помехи).

В качестве типовых воздействий приняты скачкообразные, линейные и гармонические воздействия.

Свойства САР зависят от свойств элементов, которые входят в систему, а также от способов соединения их между собой. В свою очередь свойства элементов определяются их статическими и динамическими характеристиками.

Динамической характеристикой звена называется зависимость между выходной и входной величинами в функции от времени, которая описывается дифференциальным уравнением. Динамические характеристики подразделяются на временные и переходные.

Временной характеристикой называется графическое изменение выходного сигнала САР при его переходе из одного установленного состояния в другое при типовом входном воздействии. За типовое часто принимают ступенчатое (скачкообразное) единичное входное воздействие.

Графическое изображение изменения выходного сигнала при переходе элемента из одного установившегося состояния в другое при единичном ступенчатом изменении входного сигнала называется переходной характеристикой.

При изучении динамических характеристик необходимо уделить внимание частотным, амплитудно-частотным и амплитудно-фазовым характеристикам.

Любая САР состоит из ряда звеньев, каждое из которых обладает определенными динамическими свойствами. В зависимости от характера протекания переходного процесса различают следующие типовые звенья САР: дифференцирующее, усилительное, интегрирующее, апериодическое, колебательное и звено чистого запаздывания. При изучении типовых звеньев САР необходимо внимание обратить на дифференциальное уравнение звена и его переходную функцию.

Одним из главнейших требований, предъявляемых к САР, является устойчивость, быстродействие.

Под устойчивостью САР понимают ее способность приходить к последующему установившемуся состоянию после приложения воздействия, которое вывело ее из состояния равновесия. Для оценки устойчивости рассматривают поведение системы в переходном процессе.

Для исследования устойчивости САР используют два метода: прямой и косвенный. Необходимо уяснить суть этих методов исследования, изучить критерии устойчивости (алгебраические и частотные).

Требование устойчивости системы является главным, но недостаточным для обеспечения работоспособности системы. Необходимо учитывать показатели качества процесса регулирования: запас устойчивости, точность, длительность переходного процесса и коэффициент перерегулирования. Для оценки качества САР используют прямые и косвенные оценки. В качестве косвенных показателей используют интегральные критерии качества.

Обратной связью функциональной схемы САР называется связь, направленная от выхода к входу рассматриваемою участка цепи. Следует рассмотреть отрицательную обратную связь и положительную обратную связь.

Контрольные вопросы

1 Дайте определение автоматического регулятора. Перечислите функции автоматического регулятора.

2 Перечислите принципы регулирования.

3 По каким критериям классифицируются САР?

4 Дайте определение статической и астатической САР.

5 Дайте определение воздействию. Перечислите виды воздействий,

6 Дайте определение статическим и динамическим характеристикам.

7 Дайте характеристики типовым звеньям САР.

8 Дайте определение устойчивости САР.

9 Перечислите критерии устойчивости САР.

10 Перечислите показатели качества процесса регулирования.

11 Перечислите методы оценки качества САР.

12 Для чего в функциональную схему САР вводится обратная связь?

13 Перечислите виды обратных связей.