Меню

Схема регулятор объект управления

Структурная схема простейшей системы регулирования

Например, при регулировании температуры в печи, задающим воздействием (заданием SP) являетсятребуемая температура воздуха, измеряемым и регулируемым параметром X — текущая температура в печи,рассогласованием E является их разница, управляющей величиной Y является напряжение, подаваемое нанагревательный элемент (например, ТЭН).

Структурная схема замкнутой системы регулирования

где: SP – задающее воздействие;
«задатчик» — ручной или программный задатчик (в частномслучае оператор системы управления);
X — контролируемый и регулируемый технологический параметр;
E=SP–PV — рассогласование;
Y — управляющий сигнал;
Z — внешние возмущения;
ОУ – обьект управления.

Система регулирования находится в режиме ручного управления.

В процессе работы оператор анализирует (визуально) значение измеряемого параметра Х(например, на технологическом индикаторе), и при необходимости, с помощью ручного задатчика,устанавливает необходимое значение технологического параметра Х. Внешние возмущающие воздействия Zтакже устраняются оператором, вручную.

Например, при ручном регулировании температуры в печи, задающим воздействием SP являетсясигнал с ручного задатчика, измеряемым и регулируемым параметром X — текущая температура в печи,управляющей величиной Y является напряжение, подаваемое с ручного задатчика на нагревательныйэлемент (например, ТЭН).

Структурная схема разомкнутой системы регулирования

где: SP – управляющее (задающее) воздействие;
X — контролируемый технологический параметр;
Y — управляющий сигнал;
Z — внешние возмущения;
ОУ – обьект управления.

Источник



Автоматическое регулирование и управление

В современном мире очень трудно найти технологический процесс, который не был бы автоматизирован. Автоматизация любого технологического процесса подразумевает его контроль, управление, регулирование, сигнализацию, защиту и блокировку. В этой статье рассмотрим основы автоматического управления и регулирования.

В окружающем нас мире повсюду протекают различные процессы управления. В управлении нуждается всё: физический или химический процесс, отдельная технологическая установка, производство в целом, промышленность и так далее. Даже общественные отношения. Управление на сегодняшний день является самым сложным видом человеческой деятельности.

Нет такой отрасли промышленности, где бы не применялись системы автоматического регулирования и управления. Эти системы разнообразны и по характеру решаемых ими задач и по исполнению.

Автоматическое регулирование и управление

Автоматическое регулирование

Регулирование – это поддержание постоянным значения некоторой заданной величины, характеризующей процесс, или изменение его по заданному закону, осуществляемое с помощью изменения состояния объекта или действующих на него возмущений и воздействия на регулирующий орган объекта.

Системы автоматического регулирования (САР) предназначаются для автоматического поддержания заданного режима технологического процесса или изменения его во времени по заранее заданному или задаваемому в зависимости от каких-то условий закону. При этом имеется в виду, что внешние условия нарушают заданный закон протекания процесса, а система автоматического регулирования стремится его выполнить, преодолевая влияние внешних факторов.

Под объектом регулирования понимают аппарат (станок, машину), в котором один или несколько физических параметров должны изменяться по заданным законам при любых возможных внешних условиях. Объектом регулирования могут быть:

нагревательная печь, в которой температура должна оставаться постоянной или изменяться по заданному закону;

бак, в котором должен поддерживаться заданный уровень жидкости при изменениях ее расхода из бака;

электрический двигатель, скорость которого должна оставаться постоянной при изменениях момента сопротивления.

Физические величины, закон изменения которых осуществляется автоматическим устройством, называются регулируемыми величинами. Устройство, автоматически поддерживающее заданный закон изменения регулируемой величины, называется автоматическим регулятором.

Заданный закон изменения регулируемой величины вырабатывается специальным задающим устройством (задатчиком). Воздействие задатчика на регулятор называется задающим воздействием.

Автоматический регулятор постоянно сравнивает текущее значение регулируемой величины с заданным (уставкой) и при наличии рассогласования вырабатывает регулирующее воздействие. Если регулируемая величина отклоняется от заданного значения, управляющий орган воздействует на исполнительный механизм так, чтобы рассогласование между заданным и действительным протеканием процесса было ликвидировано. Человек в эту систему непосредственно вмешаться не может, возможно только косвенное участие – посредством изменения уставки.

Задание уставки температуры кипения воды

Нарушение заданного закона протекания технологического процесса происходит в основном из-за внешних воздействий на объект, которые называют возмущающими воздействиями. К ним относятся изменения момента сопротивления на валу двигателя, расхода воды из бака, качества топлива или массы нагреваемых изделий в печи и т. д.

Чаще всего устройства автоматического регулирования — системы замкнутые (управление по отклонению). Сигнал, появившись в любой точке замкнутого контура, проходит все звенья системы и возвращается в место своего возникновения (в преобразованном виде). Но бывают и разомкнутые системы (управление по возмущению).

В результате этого в системах регулирования могут возникать колебания, в том числе колебания регулируемой величины. Если колебания возрастают, система называется неустойчивой и является неработоспособной. Поэтому первое требование к системам автоматического регулирования — обеспечение устойчивости регулирования, т. е. обеспечение затухания колебаний, возникающих в системе.

Читайте также:  Схема силового регулятора мтз

Необходимо также, чтобы выведенная из состояния равновесия возмущающими воздействиями система регулирования вернулась к заданному положению равновесия возможно точнее и возможно быстрее. Пути построения систем, отвечающих перечисленным требованиям, определяет теория автоматического регулирования.

Автоматизированная насосная станция

Системы автоматического регулирования делятся по характеру задающего воздействия. Когда регулируемая величина должна быть постоянна, то систему называют системой автоматической стабилизации (или просто системой регулирования). Сюда относятся системы сохранения уровня воды в баке, скорости вращения двигателя и др.

Если регулируемая величина изменяется и заранее известен закон (программа) изменения задающего воздействия, система называется системой программного регулирования. Она может, например, осуществлять автоматическое изменение температуры в печи по заранее заданной программе.

Если регулируемая величина изменяется, но заранее не известен закон изменения задающего воздействия, систему регулирования называют следящей системой. К следящим системам в известном смысле можно отнести автоматические потенциометры и мосты.

В автоматическом потенциометре реверсивный двигатель через ползунок реохорда воздействует на измерительный мост так, чтобы напряжение на выходе позднего изменялось соответственно всем изменениям термо-э. д. с. Очевидно, что термо-э. д. с. изменяется по закону, неизвестному заранее, иначе не нужен был бы сам измерительный прибор.

Характер воздействия регулирующего органа на объект бывает непрерывным и прерывистым. Последнее происходит, когда в системе регулирования применяются реле или специальные импульсные устройства.

Простейшими регуляторами прерывистого действия являются двухпозиционные регуляторы. Такое название они получили потому, что их регулирующий орган может занимать только два положения (позиции). Очень часто эти позиции соответствуют максимальной и минимальной подаче сырья или энергии в объект.

При так называемом трехпозиционном регулировании регулирующий орган может занижать три положения, соответствующие трем значениям регулируемой величины: «мало», «норма», «больше».

Для регулирования непрерывных процессов наиболее часто используют физические или программные ПИД-регуляторы.

Автоматическое управление

Управление – это процесс выработки управляющих воздействий по переводу объекта управления в желаемое состояние.

Более полное определение: это осуществление совокупности воздействий, выбранных из множества возможных на основании определенной информации и направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта в соответствии с целью управления. Эти последние слова в данной ситуации являются ключевыми.

Система автоматического управления отличается от системы автоматического регулирования тем, что при одних и тех же значениях входных величин, т.е. при одной и той же исходной информации воздействие, которое вырабатывает система может быть различно в зависимости от того, какая цель или какой критерий управления в нее заложен.

Шкаф управления с автоматикой

Назначение систем автоматического управления (САУ) — исключить участие человека в управлении технологическим процессом. Функции человека сводятся к осуществлению пускового импульса. Все остальные операции по управлению процессом, по изменению режимов работы производятся автоматическим устройством.

Устройства автоматического управления воздействуют на исполнительные механизмы, приводы рабочих агрегатов, которые изменяют подачу сырья, энергии в аппараты, производят перемещения обрабатываемых изделий и т. д.

При автоматическом управлении автоматическое устройство обеспечивает необходимую последовательность, начало и окончание отдельных операций, составляющих рабочий процесс. Подача командного импульса на управляющий орган осуществляется человеком. Управляющий орган воздействует на исполнительный механизм, который подает сырье или энергию в аппарат или производит определенную серию механических перемещений, операций, поддерживая тем самым заданный режим работы установки.

Система автоматической компенсации реактивной мощности

Автоматизированная система управления (АСУ) – совокупность математических методов, технических и программных средств, организационных комплексов, а также управленческого и обслуживающего персонала, которые совместно осуществляют рациональное управление объектом управления в соответствии с поставленной целью.

Эта система обычно содержит большое количество датчиков, позволяющих измерять различные параметры, большое количество исполнительных устройств, причем их количество необязательно должно совпадать с количеством датчиков.

Основным элементом этой системы является управляющее устройство (контроллер), в который заложена программа обработки, информации получаемой с датчиков и критерий управления, исходя из которого система управления и вырабатывает различные управляющие воздействия. При одном и том же значении контролируемых параметров управляющее воздействие в данном случае может быть различным.

Учебный стенд по релейным схемам управления

Системы автоматического регулирования наиболее старые системы автоматизации. Они начали использоваться с середины XIX века (использование автоматических регуляторов в паровых машинах, в железнодорожной автоматике, в электроэнергетике). В 30-е — 60-е годы XX все системы автоматизации (автоматические станки, линии, участки) строились с использованием релейных схем в комбинации с локальными аналоговыми регуляторами с использованием электронных элементов.

Релейная схема управления

В то время электрические реле являлись наиболее распространенными элементами электроавтоматики. Они применялсь во всех схемах автоматического контроля, защиты, управления и регулирования.

Читайте также:  Датчики ваз 2115 регулятор давления топлива

Основная особенность реле — возможность управления достаточно большими мощностями в исполнительных механизмах с помощью незначительных управляющих сигналов от датчиков. Коэффициент усиления реле по мощности может достигать значений десятков тысяч.

Программируемый логический контроллер

По мере того, как технологические процессы усложнялись, количество регуляторов на объектах автоматизации росло и системы становились очень громоздкими и тяжелыми в обслуживании, поэтому после появления компьютерных систем управления (микроконтроллеры, микропроцессоры, программируемые логические контроллеры) системы автоматического регулирования стали замещаться системами автоматического управления.

Дополнение Михаила Алексеева (FB)

Традиционно в старой литературе считалось, что система автоматического управления (САУ) и система автоматического регулирования (САР) — это синонимы. Но в книге Dafoss «Преобразователи частоты — просто о сложном» объясняется, что “регулирование” и “управление” это разные вещи. Логика таков: если контур замкнут обратной связью — это САУ, если разомкнут, то — САР.

В сети можно встретиться с таким определением: Автоматическое регулирование – поддерживание на постоянном уровне или изменение по заданному закону отдельных регулируемых параметров (температура, давление, расход и т.д.) в объекте управления. Система автоматического регулирования (САР) является подсистемой систем автоматического управления.

Преобразователи частоты - просто о сложном

А Википедия конкретизирует, что САР включает следующие системы:

Источник

Схемы систем автоматического управления и регулирования

Существует чрезвычайно большое разнообразие автоматических систем, выполняющих те или иные функции по управлению самыми различными физическими процессами во всех областях техники. В этих системах сочетаются весьма разнообразные по конструкции механические, электрические и другие устройства, составляя, в общем, сложный комплекс взаимодействующих друг с другом звеньев. Автоматические устройства можно разделить на два больших класса:

1. Автоматы, выполняющие определенного рода одноразовые или многоразовые операции (автомат включения освещения, билетный автомат, станок-автомат, ружье-автомат, автомат переключения скоростей и т.д.).

2. Автоматические системы, которые в течение достаточно длительного времени нужным образом изменяют (или поддерживают неизменными) какие-либо физические величины (координаты движущегося объекта, скорость движения, электрическое напряжение, частоту, температуру, давление, громкость звука и т.д.) в том или ином управляемом процессе. Сюда относятся автоматические регуляторы, следящие системы, автопилоты, некоторые вычислительные устройства, некоторые измерительные приборы, системы дистанционного управления, телеуправления, самонаведения и т.д.

В курсе теории автоматического регулирования и управления (ТАРУ) рассматриваются только системы второго класса. Они в свою очередь делятся на незамкнутые и замкнутые автоматические системы.

В зависимости от источника задающего воздействия системы управления бывают полуавтоматические (источником воздействия является человек) и автоматические (источником воздействия является изменение каких-либо внешних условий, в которых работает данная система – температура, давление, влажность, электромагнитное поле).

Системы управления разделяют на незамкнутые и замкнутые.

Различают функциональные и структурные схемы. В электронике на функциональной схеме прорисовывают все функциональные элементы (конструктивные элементы).

В теории регулирования на функциональной схеме изображаются основные (укрупненно) элементы, несущие функциональную нагрузку и включающие несколько конструктивных элементов (например, двигатель и редуктор объединятся в исполнительное устройство). В ряде случаев двигатель, а не нагрузка, принимается за объект регулирования.

На структурной схеме каждой математической операции соответствует определенное звено. В зависимости от представления уравнений структурные схемы могут отличаться друг от друга. Например, двигатель в системе регулирования скорости обычно описывается дифференциальным уравнением второго порядка (соответственно, на структурной схеме двигатель – одно звено). Но уравнение второго порядка можно представить в виде системы дифференциальных уравнений первого порядка. Соответственно, на структурной схеме двигатель будет изображен в виде двух звеньев. Первая структурная схема ближе к функциональной схеме.

Согласно определениям из учебного пособия “Системы автоматического управления” Д.В. Васильев, В.Г. Чуич: функциональные схемы характеризуют систему по составу входящих в неё элементов, рассматриваемых с точки зрения их назначения, т.е. выполняемых ими функций; структурные схемы, состоящие из звеньев направленного действия, описывают математически динамические свойства системы.

На рис.1 изображена функциональная схема незамкнутой системы управления.

С помощью источника задающего воздействия вырабатывается заданное значение регулируемой (управляемой) величины. Усилительно-преобразовательное устройство необходимо для преобразования нужным образом информации поступающей от источника задающего воздействия чтобы исполнительный орган мог эту информацию воспринимать. Исполнительный (управляющий) орган непосредственно воздействует на объект регулирования (управления) в соответствии с целью управления. Объектом регулирования (управления) является то, над чем осуществляется управление.

Вторая схема на рис. 2 отличается от первой наличием контрольных приборов, позволяющих наблюдать за протеканием процесса в управляемом объекте.

Характерным для незамкнутой системы является то, что процесс работы системы не зависит непосредственно от результата её воздействия на управляемый объект.

Читайте также:  Бак с регулятором давления

Естественным дальнейшим усовершенствованием автоматической системы является замыкание её выхода (контрольные приборы) с входом (источник воздействия) таким образом, чтобы контрольные приборы, измеряя некоторые величины, характеризующие определенный процесс в управляемом объекте, сами служили бы одновременно и источником воздействия на систему, причем величина этого воздействия зависела бы от того, насколько отличаются измеренные величины на управляемом объекте от требуемых значений. Таким образом, возникает замкнутая система автоматического регулирования, изображенная в компактной форме на рис. 3.

Для замкнутой системы характерно наличие обратной связи. В замкнутой системе имеется полная зависимость работы всех звеньев друг от друга. В замкнутой системе в отличие от незамкнутой состояние предыдущих звеньев зависит от состояния следующих через цепь обратной связи.

В общем случае автоматическая система состоит из двух частей. Если это система автоматического управления, то она состоит из устройства управления и объекта управления. В этом случае устройство управления включает в себя усилительно-преобразовательные устройства, измерительные устройства и управляющий (исполнительный) орган. Если речь идет о системе автоматического регулирования, то она включает в себя автоматический регулятор и объект регулирования. При этом автоматический регулятор состоит из тех же устройств, что и устройства управления.

Протекание всех процессов в замкнутой системе коренным образом отличается от процессов в незамкнутой системе. В разомкнутой системе состояние предыдущих звеньев не зависит от состояния следующих, а в замкнутой зависит через цепь обратной связи. Поэтому замкнутая система совершенно по-другому реагирует на внешние возмущающие воздействия. Различные ценные свойства замкнутых автоматических систем делают их незаменимыми во многих случаях, когда требуются точность и быстродействие для управления. Поэтому при создании замкнутых автоматических систем особое значение приобретают динамические расчеты.

Введем терминологию САРУ согласно рис. 4. На нем введены обозначения:

g (t) –задающее воздействие (входной сигнал, команда, настройка) — величина, значения которой должна поддерживать или воспроизводить управляемая величина;

y(t) – регулируемая или управляемая величина (входная величина, реакция, отклик системы) — величина, которой необходимо управлять в объекте;

x(t) = h(t) — z(t) – рассогласование, отклонение или “ошибка”, разность между заданным и фактическим (измеренным или действительным) значением управляемой величины;

u(t) – управляющее, регулирующее воздействие (сигнал управления воздействует на объект управления);

f(t) – возмущающее воздействие (нагрузка, помеха, шум) — величина, которая вызывает нежелательное изменение управляемой величины.

УВК – устройство ввода команды,

ЧЭ – чувствительный элемент (датчик рассогласования),

УПУ – усилительно-преобразовательное устройство,

ИО – исполнительный орган,

ОУ — объект управления (регулирования),

МОС – устройство местной обратной связи,

ГООС – устройство главной отрицательной обратной связи.

Управляющее устройство – устройство, предназначенное для выполнения задачи управления. Включает в себя измерительные устройства, усилительно-преобразовательные устройства, исполнительный орган.

Задачи, которые решает система автоматического управления САУ: стабилизация, выполнение заданной программы, слежение.

Автоматический регулятор – устройство, предназначенное для решения задачи регулирования.

В общем случае САУ состоит из двух основных частей: устройство управления (управляющее устройство) и объект управления. В общем случае система автоматического регулирования (САР) состоит из двух основных частей: автоматический регулятор и объект регулирования.

Строго говоря, под ошибкой следует понимать разницу между заданным (идеальным) значением регулируемой величины и ее фактическим значением, т.е. e(t) = y зад (t ) — y(y). В частности, y з ад (t) = g (t). Однако, x(t) и e(t) качественно связаны пропорциональной зависимостью, так что при x(t) )® 0 имеем e(t)® 0. Поэтому рассогласование отождествляется с ошибкой и слово “ошибка” для рассогласования обычно используется без кавычек.

В данной замкнутой системе связь выхода с входом осуществляется через измеритель регулируемой величины и датчик рассогласования. Устройство ввода команды и измеритель регулируемой величины служат для масштабирования или приведения к одинаковым по физической природе величинам сигналов команды и регулируемой величины. В простейшем случае g(t) = h(t); y(t) = z(t) и x(t) = g(t) — y(t).

Укрупненная схема замкнутой системы с единичной отрицательной обратной связью имеет вид, показанный на рис. 5. Знак “минус” около стрелки означает, что сигнал вычитается. При необходимости ставится и знак “плюс”. Если он не стоит, то подразумевается (по умолчанию). Вместо знака “минус” часто сектор сумматора, к которому подводится сигнал, заштриховывается. Звено в прямой цепи соответствует разомкнутой системе. На рис. 6 изображена обобщенная схема этой же системы. В схеме не показана обратная связь. Она ”спрятана” внутри замкнутой системы.

Укрупненная функциональная система САР имеет вид (рис 7).

Источник