Разомкнутые и замкнутые цифровые СУ. Цифровой компьютер

Федеральное агентство по образованию
РФ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Ярославский государственный технический университет»

Реферат защитил

с оценкой __________

Преподаватель

__________ Ю.В. Никитина

Реферат по дисциплине

«Основы теории управления»

ЯГТУ 230201.65

«Разомкнутые и замкнутые цифровые СУ. Цифровой компьютер»

Работу выполнил

студент гр. ДСИТ-37

__________ Е.Ф. Пузырев

Ярославль 2010

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………….…….….3

1. Системы автоматического управления…………………….…………...5

1.1. Разомкнутые САУ…………………………………………….……….…5

1.2. Замкнутые САУ ……………………………………………….…….…..7

2. Цифровой компьютер……………………………………………………13

ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………………15

ВВЕДЕНИЕ

Совокупность управляемого объекта и устройства, обеспечивающего реализацию части или всех функций процесса управления без непосредственного участия человека, называется автоматической системой, (системой автома­тики). По функциональному признаку автоматические системы разделяются на два основных вида: 1) системы автоматического контроля (САК); 2) системы автоматического управления (САУ). САК обеспечивают автоматическое получение информации о со­стоянии и условиях работы того или иного объекта управления, а также ее представление в удобном виде на пульте оператора (дис­петчера), а САУ — автоматическое функционирование объекта в соответствии с требованиями технологического процесса.

Рассмотрим принципы построения различных автоматических систем, используя, их функциональные и принципиальные схемы. На функциональных схемах (блок-схемах) составные части системы (блоки) представляются геометрическими фигурами (прямоугольниками, кружками), а их взаимодействие — линиями со стрелками. Блоки обозначаются буквами (словами), соответст­вующими выполняемым ими функциям. Число блоков для одной и той же системы может быть различным, так как их выделение производится условно, в зависимости от детализации выполняе­мых ими функций в системе.

Детальное представление о принципах работы автоматической системы дает ее принципиальная схема, на которой элементы и связи между ними изображают в виде условных графических обо­значений, установленных целым рядом Государственных общесо­юзных стандартов (ГОСТ). Позиционные обозначения элементов или устройств принципиальной схемы также определяются требо­ваниями ГОСТа. Например, при выполнении электрических схем руководствуются ГОСТ 2.721—74, ГОСТ 2.728—74, ГОСТ 2.730—73, ГОСТ 2755—74, ГОСТ 2.756—76 на обозначения условные графи­ческие для различных элементов и ГОСТ 2.710—81 на их буквен­но-цифровые обозначения.

Общая функциональная схема системы автоматического контроля представлена па рис. 1, а. Контролируемая величина х объ­екта О измеряется блоком (элементом) ИБ и поступает в управляющий блок УБ, в котором формируется сигнал и, подавае­мый на воспроизводящий блок (элемент) ВБ. Последний фикси­рует результаты контроля в форме, удобной для оператора, исполь­зуя световые, звуковые, стрелочные, цифровые, самопишущие приборы. Состав воспроизводящих приборов определяется требованиями к системе контроля.

В качестве примера САК на рис. 1,6 приведена принципиаль­ная схема контроля уровня жидкости в емкости. Контролируемым параметром в этой системе является уровень Н, например, воды в баке. Функции измерительного элемента выполняет металлический электрод (датчик) В установленный на высоте, соответст­вующей заданному значению уровня.

Управляющий блок представлен электромагнитным реле К. воспроизводящий элемент — сигнальной лампой НL. Когда вода поднимается до уровня установки электрода В, по обмотке реле от источника U1
будет проходить ток. Контакт реле замкнется и подключит к источнику U2
сигнальную лампу.

Рис. 1. Общая функциональная схема системы автоматического контроля (а) и пример её реализации (б).

1. Системы автоматического
управления

Они классифицируются по ряду признаков, характеризующих различные их особенности.

1. По типу контура управления: разомкнутые, замкнутые.

2. По принципу управления: по отклонению, комбинированные, адаптивные.

3. По характеру изменения задания: стабилизирующие, про­граммные, следящие.

4. По характеру сигнала: непрерывные, дискретные (импульс­ные, релейные, цифровые).

5. По характеру реакции на возмущение: статические, астати­ческие.

6. По виду вспомогательной энергии: электрические, пневма­тические, гидравлические, комбинированные.

1.1.
Разомкнутые САУ

Рис.2. Общая функциональная схема разомкнутой системы автоматического управления (а), пример е реализации (б) и программа изменения скорости (в)

Простейшими системами управления являются разомкнутые САУ (рис. 2.,а). Они обеспечивают заданный закон изменения состояния объекта управления (включение, выключение, измене­ние режима работы, требуемую последовательность технологичес­ких операций и др.) без контроля результатов управления (без обратной связи). Закон изменения состояния объекта управления во времени называется программой управления. Последняя разме­щается в специальном блоке-задатчике ЗБ, который формирует заданное значение х3
управляемой величины х объекта, т. е. закон ее изменения во времени. При этом под управляемой величиной понимают параметр, характеризующий рабочий процесс объекта например, угловую скорость, температуру, момент нагрузки и др. Функции задатчика могут выполняться релейным или программным устройством, вычислительной машиной.

Управляющий блок УБ воспринимает сигнал задатчика, преобразует его и выдает командный сигнал на вход исполнительного устройства ИУ, которое вырабатывает управляющее воздействия и, прикладываемое ко входу объекта. Последнее изменяет количество энергии или вещества, подводимого к объекту, обеспечивая этим изменение его состояния в соответствии с заданием.

Воздействия z, изменяющиеся при работе системы и нарушающие требуемую функциональную связь между х3
и х, называются возмущающими, или возмущениями. Они делятся на основные и второстепенные (помехи). Основные возмущающие воздействия! сильно влияют на управляемый процесс. Они, как правило, приложены к объекту. К ним относятся нагрузка объекта управления, влияние температуры, влажности и т. п. Помехи — это многочисленные воздействия, слабо влияющие на ход процесса. К ним можно отнести колебания напряжения в сети переменного тока, изменения сопротивлений цепей, воздушные зазоры и упругие деформации в деталях и т. п. Помехи могут воздействовать на часть или на все элементы системы.

В качестве примера разомкнутой САУ на рис. 2, б представлена принципиальная схема управления угловой скоростью электродвигателя М2. Программное устройство (задатчик) в этой системе выполнено на синхронном микродвигателе М1, на валу которого расположен профильный диск ПД, и резисторе R, подвижный контакт которого перемещается толкателем, взаимодействующим с ПД. Программа изменения скорости (рис. 2., в) определяется профилем диска ПД. В соответствии с изменением напряжения U3
, подаваемого на обмотку возбуждения L генератора G изменяются во времени напряжение Uя
на якоре двигателя М2 (управляющее воздействие) и угловая скорость вала у управляемая величина). Основное возмущение в этой системе — нагрузка на валу двигателя, т. е. статический момент Мс
.

Изменяя профиль диска ПД, можно получить любой закон изменения скорости двигателя. Подобный принцип задания скорости 3 используется при управлении подъемными машинами. Профильный диск связывают с валом подъемной машины, задавая скорость в зависимости от положения подъемного сосуда в стволе.

Недостаток разомкнутых САУ — малая точность выполнения I 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.

1.2.
Замкнутые САУ

Замкнутые САУ строятся на основе принципа обратной связи, сущность которого заключается в том, что управляющее воздей­ствие ставится в зависимость от того результата, который оно вызывает. Под обратной связью понимают устройство, осущест­вляющее передачу воздействия с выхода системы или ее элемента на их входы. Такие связи (их может быть несколько в одной си­стеме) реализуются на основе измерительных устройств.

Обратные связи могут быть жесткими и гибкими, положитель­ными и отрицательными. Жесткая обратная связь действует по­стоянно, т. е. в переходных и установившихся режимах работы системы, а гибкая — только в переходных режимах. Сигнал поло­жительной обратной связи суммируется с входным сигналом систе­мы (элемента), а сигнал отрицательной — вычитается из входно­го сигнала.

Замкнутая САУ (рис. 3, а), в которой управляющее воздей­ствие вырабатывается в функции отклонения действительного значения управляемой величины от ее заданного значения, назы­вается системой автоматического регулирования (САР). Управле­ние в таких системах называют

регулированием, управляющее устройство — регулятором, а управляемую величину — регулируе­мой величиной.

В САР, представленной на рис. 3, а, реализован принцип управления отклонению. Блок ИБ измеряет регулируемую ве­личину х, преобразует ее в величину хи
, подобную выходной вели­чине х3
задатчика ЗБ и подаёт на элемент сравнения ЭС, который определяет отклонение регулируемой величины от заданного значения:

Рис.3 .Функциональные схемы замкнутых САУ: а – САР по отклонению; б – комбинированием ; в – адаптивная

Сигнал ∆х после преобразования в управляющем блоке УБ передается на исполнительное устройство, которое формирует управляющее воздействие ,прикладываемое к регулирую­щему органу объекта (задвижке, клапану и т. п.) и обеспечивает тем самым приближение регулируемой величины к заданному зна­чению. Регулирующий орган может отсутствовать, если весь поток энергии или вещества поступает в объект от исполнительного уст­ройства, например, от генератора к электродвигателю.

Для САР характерно наличие отрицательной обратной связи и! замкнутой цепи передачи воздействий: УБ—ИУ—О—ИБ—ЭС—УБ. Благодаря этому они способны обеспечить высокую точность уп­равления.

На. практике САР широко применяют для обеспечения требуе­мых режимов работы машин и установок путем поддержания на. заданном уровне или изменения по заданному закону величин, характеризующих их рабочие процессы.

Системы, имеющие задание поддерживать управляемую вели­чину на постоянном уровне х3
=constназываются
автоматически­ми стабилизирующими системами. К ним относятся, например, системы автоматической стабилизации температуры подаваемого в шахту воздуха, нагрузки выемочных и проходческих комбайнов, давления в пневмосети и др.

Замкнутые системы, изменяющие управляемую величину в соответствии с заранее заданной функцией какого-либо параметра (времени, пути и т. д.), называются программными автоматически­ми системами. К таким системам относится, например, САР ско­рости шахтной подъемной машины.

Системы, имеющие задание изменять управляемую величину в соответствии с действующей на входе системы переменной величи­ной, закон изменения которой заранее неизвестен, называются ^ следящими автоматическими системами. Примером таких систем является САР производительности компрессорной станции, обеспечивающая производство сжатого воздуха в соответствии с его потреблением, имеющим случайный характер изменения во времени.

Автоматические системы управления высокой точности обычно строят по принципу комбинированного управления (рис. 3, б). В таких системах воздействие и вырабатывается управляющим устройством УУ в функции отклонения и возмущения. Последнее измеряется блоком ИБ2 и подается на вход системы в виде сигна­ла zи
, который суммируется с заданием х3
компенсируя тем самым вредное влияние возмущения г на управляемую величину х.

Успешное развитие кибернетики позволило применить в автоматических системах новый принцип управления, называемый! принципом адаптации (приспособления). Системы, использующие этот принцип, способны обеспечить высокое качество управления объектами с переменными свойствами и условиями функциониро­вания, например, добычными механизмами и буровыми установка­ми, у которых в процессе работы затупляются режущие элементы рабочих органов, изменяются физико-механические свойства гор­ного массива, масса подвижных частей и др.

Адаптивная (самонастраивающаяся) САУ (рис. 3, в) содер­жит дополнительное управляющее устройство УУД, которое выра­батывает корректирующее воздействие , используя информацию об изменении управляемой величины, задающего и возмущающего воздействия. Сигнал вызывает необходимые изменения струк­туры и параметров основного управляющего устройства УУ0
, т. е. осуществляет самонастройку системы в процессе ее функциониро­вания.

В зависимости от характера сигналов, передаваемых от одного элемента системы к другому, автоматические системы делятся на непрерывные, импульсные, релейные и цифровые (кодовые).

Непрерывные системы имеют на входе и выходе всех элемен­тов сигналы, представляющие собой непрерывные функции вре­мени.

Импульсные системы содержат по крайней мере один элемент, сигнал на выходе которого представляет собой последовательность импульсов, амплитуда, длительность и частота повторений которых зависят от .сигнала на входе этого элемента в отдельные (дискрет­ные) моменты времени.

Релейные системы характеризуются наличием хотя бы одного элемента, сигнал на выходе которого изменяется скачком всякий раз, когда сигнал на его входе проходит через некоторые фикси­рованные значения, называемые порогами или уровнями.

Цифровые системы содержат элементы, которые преобразуют непрерывные сигналы в дискретные путем квантования их по уров­ню и по времени и осуществляют их представление в виде после­довательности чисел в цифровом коде.

Импульсные, релейные и цифровые системы образуют класс дискретных систем управления, характерной особенностью кото­рых является наличие одного или нескольких дискретных сигналов, т. е. сигналов, изменяющихся скачком или представленных в виде последовательности кратковременных импульсов. Дискретные системы в настоящее время в связи с бурным развитием вычисли­тельной техники получают все большее применение в промышлен­ной автоматике.

В зависимости от характера реакции на возмущения САУ де­лятся на статические и астатические.

К статическим САУ относятся системы, у которых установив­шееся значение управляемой величины зависит от величины воз­мущающего воздействия, так что отклонение от задания пропор­ционально величине последнего, т. е. в системе всегда имеется так называемая статическая погрешность.

В астатических системах установившееся значение управляв мой величины не зависит от величины возмущающего воздействия и статическая погрешность равна нулю.

Проектированию любой автоматической системы предшествует анализ производственного процесса, условий эксплуатации и формулирование требований к САУ. В связи с этим далее рассматри­ваются некоторые вопросы теории, раскрывающие принципы построения автоматических систем и закономерности протекающих в них процессов.

2.
Цифровой компьютер

Рассмотрим подробно компьютер, входящий в состав замкнутой цифровой системы управления (рис. 4). Здесь и далее аналоговые сигналы обозначаются сплошными линиями, а дискретные (числовые последовательности) — точечными.

Рис. 4. Блок-схема цифрового компьютера

Аналоговые входные сигналы (задающие воздействия, сигнал ошибки, сигналы обратной связи с датчиков) поступают на аналого-цифровой преобразователь

(АЦП), где преобразуются в цифровую форму (двоичный код). В большинстве случаев АЦП выполняет это преобразование периодически с некоторым интервалом T
, который называется интервалом квантования

или периодом квантования

. Таким образом, из непрерывного сигнала выбираются дискретные значения (выборка, англ. sampling
) e
[k
] = e
(kT
) при целых k
=0,1,…, образующие последовательность {e
[k
]}. Этот процесс называется квантованием

. Таким образом, сигнал на выходе АЦП можно трактовать как последовательность чисел. Вычислительная программа

в соответствии с некоторым алгоритмом преобразует входную числовую последовательность {e
[k
]} в управляющую последовательность {v
[k
]}.

Цифро-аналоговый преобразователь

(ЦАП) восстанавливает непрерывный сигнал управления по последовательности {v
[k
]}. Чаще всего ЦАП работает с тем же периодом, что и АЦП на входе компьютера. Однако для расчета очередного управляющего сигнала требуется некоторое время, из-за этого возникает так называемое вычислительное запаздывание

. На практике принято это запаздывание относить к непрерывной части системы и считать, что АЦП и ЦАП работают не только синхронно (с одинаковым периодом), но и синфазно (одновременно).

Особенности цифровых систем

Очевидно, что основные характерные черты цифровых систем управления связаны с наличием компьютера (цифрового устройства) в составе системы. Главные преимущества
цифровой управляющей техники сводятся к следующему:

• используется стандартная аппаратура;

• нет дрейфа параметров, характерного для аналоговых элементов;

• повышается надежность и отказоустойчивость;

• существует возможность реализации сложных законов управления, в том числе логических и адаптивных;

• гибкость, простота перестройки алгоритма управления.

Как обычно, за достоинства приходится расплачиваться. В результате квантования по времени

компьютер получает только значения входных сигналов в моменты квантования, игнорируя все остальные. Кроме того, АЦП и ЦАП имеют ограниченное число разрядов, поэтому при измерении входного сигнала и выдаче сигнала управления происходит округление значения к ближайшему, которое сможет обработать АЦП (или ЦАП). Это явление называют квантованием по уровню

.

Таким образом, квантование в цифровых системах приводит к специфическим эффектам, которые можно считать их недостатками
:

• между моментами квантования система фактически не управляется, это может привести к потере устойчивости;

• при квантовании по времени теряется информация о значениях измеряемых сигналов между моментами квантования;

• квантование по уровню приводит к потере точности, что может вызвать дополнительную ошибку в установившемся режиме и автоколебания.

ЛИТЕРАТУРА

1. П.Д. Гаврилов., Л.Я. Гимельштейн, А.Е. Медведев. Автоматизация производственных процессов. М: Недра,1985

2. Исаковия Р.Я., Попадько В.Е. Контроль и автоматизация добычи нефти и газа. М.: Недра,1985