close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Компьютерные технологии и микропроцессорные средства в автоматическом управлении учеб. пособие Карташов Б.А. (www.PhoenixBooks.ru)

код для вставкиСкачать
Серия
«Среднее профессиональное образование»
Ростов-на-Дону
Феникс
2013
КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СРЕДСТВА В АВТОМАТИЧЕСКОМ УПРАВЛЕНИИ
Б. А. Карташов, А. С. Привалов, В. В. Самойленко, Н. И. Татамиров Рекомендовано Федеральным государственным автономным учреждением «Федеральный институт развития образования» в качестве учебного пособия для использования в учебном процессе образовательных учреждений, реализующих программы среднего профессионального образования по специальности 220703 «Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям)»
Учебное пособие по дисциплине «Автоматическое управление» Под редакцией профессора Б. А. Карташова
В отличие от традиционных методов анализа и синтеза САР ис-
пользованы компьютерные технологии моделирования на основе отечественного программного комплекса (ПК) «МВТУ». Приве-
дены избранные разделы теории автоматического регулирования, необходимые для анализа и синтеза САР в его среде. Рассмотрены элементы алгебры Буля и сведения по применению ПЛК в логи-
ческих системах управления на основе программного комплекса CoDeSys. Для практического построения автоматических систем применены современные отечественные регуляторы и ПЛК.
Пособие содержит электронное приложение с необходимым программным обеспечением для ПК «МВТУ» и CoDeSys, а также мультимедийные элементы, обеспечивающие демонстрацию при-
меров имитационных моделей САР.
Для студентов образовательных учреждений среднего профес-
сионального образования, обучающихся по специальности 220703 «Автоматизация технологических процессов и производств (по от-
раслям)», может быть полезно специалистам, работающим в обла-
сти автоматизации различных технологических процессов.
Компьютерные технологии и микропроцессорные средства в автоматическом управлении: учебное пособие для студентов учреждений сред. проф. образования; под ред. Б. А. Карта-
шова. — Ростов-н/Д : Феникс, 2013. — 540 с. : ил. — (Среднее профессиональное образование).
ISBN 978-5-222-20080-3
ISBN 978-5-222-20080-3
УДК 621.38:681.5(075.32)
ББК 32.965+32.973.26я723
К63
УДК 621.38:681.5(075.32)
ББК 32.965+32.973.26я723
КТК 22
К63
© Карташов Б. А., Привалов А. С., Самойленко В. В., Татамиров Н. И.
© Оформление: ООО «Феникс», 2013
Рецензенты:
ФГАУ «Федеральный институт развития образования» (первый за-
меститель директора, член-корр. РАО, профессор А.Н.Лейбович);
преподаватель высшей категории директор ГБОУ СПО РО «Ново-
черкасский машиностроительный колледж» докт. техн. наук, профессор С.И.Евтушенко; преподаватель высшей категории, преподаватель спец. дисциплин специальности 220703 ФГБОУ ВПО «Южно-Российскй государствен-
ный университет экономики и сервиса» канд. техн. наук В.Н.Панков.
СОДЕРжАНИЕ
Содержание ...............................................3
Предисловие .............................................12
Введение .................................................16
РАзДеЛ 1. СИСТеМы АВТОМАТИчеСКОГО УПРАВЛеНИя И РеГУЛИРОВАНИя: ИзБРАННые ГЛАВы ДИСцИПЛИНы .........18
Глава 1. Основные понятия и принципы построения систем автоматического управления и регулирования ..........18
1.1. Объект управления ................................18
1.2. Функциональные элементы и функциональные схемы автоматических систем ......................23
1.3. Принципы работы систем автоматического управления и регулирования .......................27
1.3.1. Разомкнутые системы автоматического управления .................................27
1.3.2. Системы автоматического управления по возмущению .............................30
1.3.3. Системы автоматического управления по отклонению (замкнутые системы автоматического управления) .................32
1.3.4. Комбинированные системы автоматического регулирования ..............35
1.4. Требования к элементам систем автоматического регулирования ....................................36
1.5. Классификация систем автоматического регулирования ....................................37
4
Компьютерныетехнологииимикропроцессорныесредствавуправлении
1.5.1. Непрерывные и релейные системы автоматического регулирования. . . . . . . . . . . . . . . 37
1.5.2. САР прямого и косвенного регулирования .....44
1.5.3. Автоматические системы стабилизации, программные и следящие системы ............46
Глава 2. Основные схемы систем автоматического регулирования. Методика их разработки и составления .....................................50
2.1. Упрощенные принципиальные и функциональные схемы САР .....................50
2.2. Функционально-технологические и монтажные схемы ...............................51
2.3. Методика разработки и составления упрощенных принципиальных и функциональных схем ...........................55
2.3.1. Изучение и анализ объекта регулирования (этап первый) ...............................56
2.3.2. Выбор технических средств для регулятора (этап второй) ................................56
2.3.3. Составление упрощенных принципиальных и функциональных схем САР (этап третий) .....71
Глава 3. Математическое описание систем автоматического регулирования ......................87
3.1. Динамические и статические режимы, понятия устойчивости и качества систем автоматического регулирования ....................87
3.2. Понятия динамических и статических характеристик, линейных и нелинейных систем автоматического регулирования ..............95
3.3. Аналитический метод определения дифференциальных уравнений элементов и объектов регулирования .........................97
3.4. Передаточные функции — разновидность динамических характеристик ......................103
3.5. Структурные схемы — графическое отображение динамических свойств элементов и САР. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.6. Преобразование структурных схем .................119
3.7. Упрощение структурных схем с учетом малых параметров ........................123
5
Содержание
3.8. Переходные функции — разновидность динамических характеристик ......................125
3.9. Типовые звенья ..................................128
3.10. Особенности математического описания объектов регулирования .........................141
3.11. Математическое описание внешних воздействий ...144
3.11.1. Детерминированные воздействия ...........145
3.11.2. Случайные воздействия ....................149
3.12. Особенности режимов работы и математического описания релейных систем автоматического регулирования ...........155
3.13. Экспериментальный метод определения динамических характеристик элементов и объектов регулирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
3.13.1. Сущность и аналитические основы метода ...162
3.13.2. Аппроксимация апериодическим звеном первого порядка ....................164
3.13.3. Аппроксимация апериодическим звеном второго порядка ....................165
3.13.4. Аппроксимация на основе метода М.П. Симою. ......................166
3.13.5. Аппроксимация запаздывающим и апериодическим звеньями ...............169
Глава 4. Анализ систем автоматического регулирования ........171
4.1. Прямой метод анализа устойчивости систем ........171
4.2. Анализ качества систем ...........................174
4.3. Интегральные методы анализа качества систем ......178
Глава 5. Элементы синтеза систем автоматического регулирования .....................181
5.1. Общие сведения .................................181
5.2. Последовательная коррекция .....................181
5.3. Параллельная коррекция .........................190
РАзДеЛ 2. МИКРОПРОцеССОРНые СИСТеМы АВТОМАТИчеСКОГО РеГУЛИРОВАНИя .....196
Глава 6. Принципы построения, техническая база и особенности математического описания систем регулирования .............................196
6.1. Принципы построения систем. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
6
Компьютерныетехнологииимикропроцессорныесредствавуправлении
6.2. Микропроцессорные измерители-регуляторы ПО «ОВеН» .....................................199
6.2.1. Общие сведения ...........................199
6.2.2. Алгоритмы функционирования регуляторов ...206
6.3. Математическое описание систем с регуляторами ТРМ .............................210
Глава 7. Релейные регуляторы .............................215
7.1. Краткие сведения ................................215
7.2. Принцип работы прибора .........................216
7.3. Индикация и управление прибором ................218
7.4. Программирование прибора ......................220
Глава 8. ПИД-регуляторы ................................233
8.1. Краткие сведения ................................233
8.2. Описание прибора ...............................234
8.3. Программирование и настройка прибора ...........237
РАзДеЛ 3. КОМПЬЮТеРНые ТеХНОЛОГИИ АНАЛИзА И СИНТезА СИСТеМ АВТОМАТИчеСКОГО РеГУЛИРОВАНИя .....243
Глава 9. Компьютерное моделирование систем автоматического регулирования .....................243
9.1. цели моделирования .............................243
9.2. Характеристика интерфейса пользователя ПК «МВТУ» .....................................244
9.2.1. запуск ПК «МВТУ» ........................244
9.2.2. Фрагменты командного меню ...............246
9.2.3. Фрагменты панели инструментов ............249
9.2.4. Дополнительная панель инструментов ........251
9.2.5. «Линейка» типовых блоков ..................253
9.2.6. Основные этапы работы в среде ПК «МВТУ» ..253
9.3. Технология моделирования систем автоматического регулирования ...................255
9.3.1. Подготовка исходных данных для моделирования .........................255
9.3.2. Ввод исходных данных в компьютер ..........260
9.3.3. Моделирование переходных процессов .......273
Глава 10. Структурно-параметрический синтез систем автоматического регулирования .............278
10.1. Общие сведения ................................278
10.2. Параметрическая оптимизация системы ...........279
7
Содержание
РАзДеЛ 4. АВТОМАТИчеСКИе СИСТеМы ЛОГИчеСКОГО УПРАВЛеНИя ...............292
Глава 11. Применение алгебры Буля для описания логических элементов и систем ....................293
11.1. Основные логические операции ..................293
11.2. Аксиомы и законы булевой алгебры ...............297
11.3. Применение законов и аксиом при анализе и синтезе СЛУ ..................................299
11.4. Пример проектирования комбинационной СЛУ ....301
11.5. Синтез последовательностной СЛУ на контактных элементах ........................305
Глава 12. Краткие сведения о ПЛК и его программном обеспечении ........................308
12.1. Структура ПЛК .................................308
12.2. Программный комплекс CoDeSys .................312
12.2.1. Общие сведения ..........................312
12.2.2. Редакторы ................................313
12.2.3. Инсталляция среды CoDeSys ................313
12.2.4. Компоненты организации программ (POU). . . 314
12.2.5. запуск CoDeSys ...........................315
12.2.6. Разделитель экрана ........................321
12.2.7. Окно сообщений ..........................321
12.2.8. Статусная строка ..........................322
12.2.9. Контекстное меню ........................324
Глава 13. Проектирование СЛУ на языке LD .................325
13.1. Контакты, катушки .............................325
13.2. Построение СЛУ в LD ...........................325
13.3. Подключение ПЛК .............................333
13.4. Дополнительные приемы при построении LD-диаграмм ...................................335
13.5. Катушки реле ..................................336
13.6. Исследование СЛУ в режиме эмуляции ............339
13.7. Триггеры .......................................343
13.8. Таймеры .......................................346
13.9. Счетчики ......................................357
Глава 14. Примеры проектирования СЛУ ...................365
14.1. Постановка задачи ..............................365
14.2. Нормальный режим работы ......................368
14.3. Вопросы безопасности ..........................374
14.4. Перенос программы в ПЛК ......................374
8
Компьютерныетехнологииимикропроцессорныесредствавуправлении
14.5. Визуализация ..................................378
14.6. Многотактный генератор импульсов ..............392
РАзДеЛ 5. ЛАБОРАТОРНыЙ ПРАКТИКУМ ...............................398
Работа 1. Определение передаточных функций по кривым разгона ..............................398
1.1. цель работы .....................................398
1.2. Краткое описание лабораторной установки .........398
1.3. Порядок выполнения работы ......................400
Работа 2. Моделирование отдельных элементов систем автоматического регулирования ............404
2.1. цели работы ....................................404
2.2. Сведения и теоретический материал, необходимые для выполнения работы ..............404
2.3. Содержание и порядок выполнения работы .........404
2.3.1. Сущность работы и подготовка исходных данных для моделирования .........404
2.3.2. запуск ПК «МВТУ», ввод структурной схемы и исходных данных ...................406
2.3.3. Моделирование переходных процессов .......415
2.3.4. Выполнение индивидуального задания .......419
Работа 3. Моделирование линейных систем автоматического регулирования ...................430
3.1. цели работы ....................................430
3.2. Сведения и теоретический материал, необходимые для выполнения работы ..............430
3.3. Содержание и порядок выполнения работы .........430
Работа 4. Моделирование релейных систем автоматического регулирования ...................433
4.1. цели работы ....................................433
4.2. Теоретический материал, необходимый для выполнения лабораторной работы и порядок ее выполнения .........................433
4.3. Пример релейной САР ...........................434
Работа 5. Исследование корректирующих элементов ..........438
5.1. цели работы ....................................438
5.2. Теоретический материал, необходимый для выполнения работы, и последовательность её выполнения ..................................438
9
Содержание
Работа 6. Программирование релейных регуляторов ПО «ОВЕН» ...................................441
6.1. целевое назначение работы .......................441
6.2.Порядок выполнения работы ......................441
Работа 7. Программирование ПИД-регуляторов ПО «ОВЕН» ...................................445
7.1. целевое назначение работы .......................445
7.2. Порядок выполнения работы ......................445
РАзДеЛ 6. КУРСОВОе ПРОеКТИРОВАНИе .............448
1. Основные рекомендации для выполнения курсовой работы ...448
1.1. Тема курсовой работы и задание ...................448
1.2. Содержание курсовой работы .....................449
1.3. Методические рекомендации для выполнения курсовой работы .................................449
1.4. Рекомендации по оформлению курсовой работы ....450
2. Пример выполнения курсовой работы на тему «Определение параметров типового закона регулирования САР…» ..................................454
2.1. Исходные данные ...............................454
2.1.1. Описание САР и ее функциональная схема ....454
2.1.2. Передаточные функции объекта регулирования, элементов САР и структурная схема системы ................458
2.2. Определение параметров заданного типового закона регулирования ....................461
2.2.1. Моделирование исходного варианта САР .....461
2.2.2. Расчет параметров типового закона регулирования ......................464
2.2.3. Компьютерное моделирование скорректированной САР ....................468
2.3. Выводы по работе ................................473
Приложение А. Сокращенные фрагменты отдельных библиотек ПК «МВТУ» ....................474
А.1. Библиотека «Источники входных воздействий» .....474
А.1.1. Константа ................................474
А.1.2. Ступенчатое воздействие ...................474
А.2. Библиотека «Данные» ...........................475
А.2.1. Временной график .........................475
А.2.2. Фазовая плоскость .........................475
10
Компьютерныетехнологииимикропроцессорныесредствавуправлении
А.3. Библиотека «Операции математические» ...........476
А.3.1. Сумматор и Сравнивающее устройство .......476
А.3.2. Усилитель .................................476
А.4. Библиотека «Динамические звенья» ...............477
А.4.1. Динамическое звено общего вида ............477
А.4.2. Идеальное интегрирующее звено ............478
А.4.3. Апериодическое звено 1-го порядка ..........478
А.4.4. Колебательное звено .......................479
А.4.5. Дифференцирование .......................480
А.4.6. Идеальное запаздывающее звено ............480
А.5. Библиотека «Нелинейные» .......................481
А.5.1. Релейный неоднозначный ..................481
А.5.2. Релейный неоднозначный с зоной нечувствительности ........................482
Приложение Б. Варианты индивидуальных заданий по линейным системам автоматического регулирования ..............483
Б.1. Система автоматического регулирования температуры в помещении ........................483
Б.2. Система автоматического регулирования температуры в печи ..............................486
Б.3. Система автоматического регулирования температуры теплоносителя зерносушилки .........488
Б.4. Система автоматического регулирования температуры воздуха в теплице ...................491
Б.5. Система автоматического регулирования температуры воздуха, подаваемого в зерносушилку ..493
Б.6. Система автоматического регулирования температуры в теплице ...........................495
Б.7. Система автоматического регулирования давления в ресивере ..............................498
Б.8. Система автоматического регулирования угловой скорости гидротурбины ...................500
Приложение В. Варианты индивидуальных занятий по релейным системам автоматического регулирования ..............503
В.1. Релейная САР температуры в помещении ..........503
В.2. Релейная САР температуры в печи .................503
В.3. Релейная САР температуры теплоносителя зерносушилки ...................................505
11
Содержание
В.4. Релейная САР температуры воздуха в теплице .......................................505
В.5. Релейная САР температуры воздуха, подаваемого в зерносушилку ......................506
В.6. Релейная САР температуры в теплице .......................................507
В.7. Релейная САР давления в ресивере ................508
В.8. Релейная САР угловой скорости гидротурбины .....508
Приложение Г. Описание объектов регулирования ............510
Г.1. Теплица как объект автоматического регулирования .510
Г.2. Электрообогреваемый пол как объект автоматического регулирования ...................516
Г.3. Электрический брудер как объект автоматического регулирования ...................517
Г.4. Шахтная зерносушилка как объект автоматического регулирования ...................518
Г.5. Картофелехранилище как объект автоматического регулирования ...................524
Г.6. Силовой трансформатор как объект регулирования .........................528
Г.7. Барабанная зерносушилка как объект автоматического регулирования .........530
Г.8. Паровой подогреватель жидкой мелассы как объект автоматического регулирования .........535
Г.9. Мармирная плита как объект автоматического регулирования ...................537
Г.10. Электрический вулканизатор как объект автоматического регулирования ........538
Литература .............................................539
Основная литература ................................539
Дополнительная литература ..........................539
ПРЕДИСЛОВИЕ
Учебное издание разработано как учебное пособие к дисциплине «Автоматическое управление», предназначенной для обеспечения учебного процесса при подготовке специалистов по специально-
сти 220703 «Автоматизация технологических процессов и произ-
водств (по отраслям)» в соответствии с ФГОС от 18 ноября 2009 г. Основной учебной литературой, допущенной Минобрнауки РФ в качестве учебников по этой специальности, являются книги [1–3]. В этих учебниках практически не рассматриваются передо-
вые инновационные компьютерные технологии для проектиро-
вания и эксплуатации систем автоматического управления. Они базируются на традиционных достаточно сложных и трудоемких классических методах теории автоматического управлении. В этих учебниках крайне скупо и поверхностно отражены вопросы прак-
тического использования микропроцессорных средств (регулято-
ров, программируемых контроллеров), которые в настоящее время преимущественно применяются в современных системах авто-
матического управления. Кроме этого учебники [1–3] устарели формально (но не по существу), так как они издавались под стан-
дарты, отмененные с введением действующего ФГОС от 18 ноя-
бря 2009 г. Рассматриваемое издание предназначено заполнить эти пробелы в существующей учебной литературе по автоматическому управ лению.
В последние десятилетия для анализа и синтеза систем автома-
тического управления и регулирования (для их автоматизирован-
ного проектирования) создан многочисленный ряд прикладных программ. К их числу относятся высокоэффективные зарубеж-
ные (MATLAB, MATRIX
X
, VisSim, SCILAB и др.) и отечественные 13
Предисловие
(МИК, ПА9, СLASSIC, МВТУ и др.) программные комплексы. Наиболее предпочтительным из этих программных продуктов яв-
ляется отечественный программный комплекс «Моделирование в технических устройствах» (ПК «МВТУ»), созданный коллективом ученых Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана, который в дореволюционной России, в Совет-
ском Союзе был и в настоящее время остается ведущей школой в области технического образования и передовой технической на-
уки. являясь альтернативой упомянутым зарубежным прикладным программам, ПК «МВТУ» позволяет рассчитывать, моделировать, исследовать и синтезировать различные технические устройства (механические, гидравлические, теплотехнические, электротех-
нические и др., в том числе средства и системы автоматики). Он, исходя из запросов отечественных пользователей программных средств, выгодно отличается от зарубежных аналогов:
ограниченная версия ПК «МВТУ», применимая к системам • автоматического управления и регулирования до тридцатого порядка, является открытым программным продуктом (она распространяется через Internet бесплатно на сайте http://
mvtu.power.bmstu.ru);
вся необходимая сопроводительная документация, методи-• ческое обеспечение и исчерпывающая справочная контекст-
ная система ПК «МВТУ» выполнена на русском языке, что для многих российских пользователей снимает языковый барьер, который имеет место при изучении и использовании таких программ как Matlab и др., имеющих англоязычное ме-
тодическое и справочное сопровождение.
Визуальные, интерактивные средства программирования, исполь-
зуемые в ПК «МВТУ», сопроводительная документация и методиче-
ское обеспечение, отличающиеся «прозрачностью» и доступностью для понимания, позволяют пользователю, при наличии элементарных навыков работы в среде операционной системы Windows, за кратчай-
ший срок изучить его и успешно работать в его среде.
В пособии использован последний, наиболее совершенный вариант программного комплекса — ПК «МВТУ», версия 3.7. Для его использования необходим компьютер, удовлетворяющий сле-
дующим требованиям:
тип компьютера — не менее • Pentium 1;
объем оперативной памяти — не менее 16 Мб;• свободный объем жесткого диска — не менее 8 Мб;• версия • Windows — любая (’98, NT, ’2000, XP, Vista).
14
Компьютерныетехнологииимикропроцессорныесредствавуправлении
В настоящее время зарубежными и отечественными произво-
дителями серийно выпускаются микропроцессорные устройства, предназначенные для использования в качестве регуляторов в системах автоматического регулирования (САР) и управляющих устройств в системах логического управления (СЛУ). К их числу относятся разнообразные микропроцессорные устройства (про-
мышленные компьютеры, программируемые контроллеры, из-
ме ри те ли–ре гу ля то ры) отечественного производственного объ-
единения «ОВеН» (ПО «ОВеН»), успешно продвигающего свою продукцию в российскую производственную сферу. Полная ин-
формация о ПО «ОВеН» размещена на его официальном сайте www.owen.ru. В пособии при рассмотрении вопросов, связанных с микропроцессорными системами автоматического регулирования, за основу взяты измерители-регуляторы ТРМ, а применительно к микропроцессорным СЛУ — программируемые логические кон-
троллеры ПЛК 100 и ПЛК 150. Пособие состоит из шести разделов, предназначенных для форми-
рования у студентов профессиональных знаний, умений и навыков, основных приложений (А, Б, В, Г) и дополнительноговиртуального (Д) в электронномвиде. В разделе 1, помимо общих сведений о системах автоматического регулирования, рассмотрены вопросы их матема-
тического описания, анализа и синтеза, в объемах, достаточных для расчета и исследования систем с помощью методов компьютерного моделирования. В разделе 2 рассмотрены принципы построения, ма-
тематическое описание и программирование микропроцессорных САР, построенных на базе измерителей-регуляторов ТРМ. Раздел 3 содержит общие сведения о математическом моделировании САР, краткое описание ПК «МВТУ» и технологии моделирования систем в его среде. В разделе 4 рассмотрены принципы построения и проек-
тирования автоматических СЛУ на базе ПЛК ПО «ОВеН». Разделы 5 и 6 пособия включают в себя лабораторный практикум из семи работ и методические рекомендации по курсовому проектированию при-
менительно к САР, а также пример выполнения курсовой работы. Приложение А содержит описание отдельных библиотек ПК «МВТУ», которые необходимы при подготовке исходных дан-
ных для моделирования САР. Приложения Б, В, Г включают в себя варианты индивидуальных заданий для лабораторного практикума и курсовой работы. Многовариантность заданий этих приложений позволяет повысить эффективность учебного процесса посред-
ством обязательного выполнения индивидуальных заданий каж-
дым обучающимся.
15
Предисловие
Приложение Д (электронное приложение) содержит мультиме-
дийные элементы, обеспечивающие демонстрацию примеров ими-
тационных моделей различных САР, рассмотренных в пособии. В этом приложении также имеется инсталляционное программ-
ное обеспечение для ПК «МВТУ» и CoDeSys, а также методиче-
ская, инструктивная и техническая документация на ПК «МВТУ», микропроцессорные регуляторы и ПЛК ПО «ОВеН». Электрон-
ное приложение к учебному пособию размещено на справочном сайте издательства «Феникс» по адресу http://www.phoenixrostov.ru/
editions/edcontent/?pid=36" под именем «Прилож.Д_Электронное приложение к учебному пособию_Комп.технол. и микро.сред. в автом. управ.».
* * * *
Пособие подготовлено в Сальском индустриальном техни-
куме коллективом авторов. Введение, раздел 1, 2 (за исключе-
нием п. 2.2), 3, 5, приложение Г написаны Б.А. Карташовым; раздел 4 — В.В. Самойленко; предисловие — Б.А. Карташовым, А.С. Приваловым; раздел 6, приложения Б, В — Б.А. Карташовым, А.С. Приваловым, Н.И. Татамировым; приложение А сформи-
ровано А.С. Приваловым, Н.И. Татамировым; п. 2.2 подготовлен Б.А. Карташовым, Н.И. Татамировым.
Авторы признательны руководителю авторского коллектива разработчиков ПК «МВТУ» доценту О.С. Козлову и генеральному директору ПО «ОВеН» Д.В. Крашенинникову за предоставлен-
ную возможность использования в учебном пособии материалов, размещенных на официальных сайтах http://mvtu.power.bmstu.ru и www.owen.ru.
Авторы считают своим долгом выразить благодарность член.-
корр. РАО, профессору А.Н. Лейбовичу, док.техн. наук, профес-
сору С.И. евтушенко и канд. техн. наук В.Н. Панкову за огромный труд по экспертизе и рецензированию пособия, а также за полез-
ные замечания, которые были учтены при его окончательном ре-
дактировании.
ВВЕДЕНИЕ
центральное место в дисциплине «Автоматическое управ-
ление» занимают системы автоматического управления (САУ) с обратными связями, называемые системами автоматического регулирования (САР). САР, представляющие собой замкнутые ди-
намические системы, характеризуются двумя режимами работы — динамическим (переходным) и статическим (установившимся). Динамические режимы могут иметь устойчивые или неустойчивые переходные процессы. Известно, что САР с неустойчивыми пере-
ходными процессами является неработоспособными. В связи с этим первой задачей, решаемой при проектировании новых и экс-
плуатации действующих САР, является их исследование на устой-
чивость. Помимо требования устойчивости любая САР должна обладать определенными показателями качества процесса регули-
рования, удовлетворяющими требованиям технологического про-
цесса. Поэтому исследование качества САР является второй зада-
чей при их проектировании и эксплуатации.
если в процессе решения этих двух задач, относящихся в тео-
рии автоматического регулирования к так называемому разделу «Анализ САР», получены неудовлетворительные результаты (си-
стема оказалась неустойчивой или имеет неудовлетворительные показатели качества), то приходится решать еще третью задачу — задачу из раздела «Синтез САР». При решении задачи синтеза в систему вводятся корректирующие элементы и посредством под-
бора их структуры и параметрической оптимизации добиваются выполнения условия устойчивости САР и желаемых показателей качества процессов регулирования.
Для решения этих трех задач классическая теория автоматиче-
ского управления и регулирования располагает многими эффек-
тивными методами и подходами [1–3]:
17
Введение
для решения • первой задачи применительно к линейным непре-
рывным САР (анализ устойчивости) используют алгебраиче-
ский критерий Гурвица или один из частотных критериев — Найквиста или Михайлова.
для решения • первой задачи применительно к нелинейным САР из большого многообразия методов исследования нелиней-
ных автоматических систем наиболее предпочтительно ис-
пользовать метод гармонического баланса;
для решения • второй задачи (анализ качества САР) удобно при-
менять прямой метод оценки качества по переходным харак-
теристикам (кривым разгона), полученным в результате моде-
лирования САР с помощью компьютера;
для решения • третьей задачи (синтез САР) широко приме-
няют методы синтеза корректирующих элементов на основе логарифмических частотных характеристик; применительно к микропроцессорным САР, относящимся к • классу цифровых систем, задачи анализа и синтеза решают на основе методов теории импульсных систем.
Для решения перечисленных выше задач, наряду с упомя-
нутыми выше классическими методами анализа и синтеза САР, в последние десятилетия, как отмечалось в предисловии, нашли широкое применение технологии, ориентированные на исполь-
зование методов компьютерного имитационного моделирования технических систем. Их применение позволяет автоматизировать проектирование САР, упростить их наладку и настройку в эксплуа-
тационных условиях, существенно сократить временные и интел-
лектуальные затраты. В основу таких компьютерных технологий положены высокоэффективные прикладные программы, удобные и простые в использовании и не требующие специальной подго-
товки программиста (см. предисловие). Для практического реше-
ния задач анализа и синтеза САР на их основе достаточно опре-
деленного минимума знаний по теории систем автоматического регулирования, ограниченного содержанием главы 3 первого раз-
дела данного пособия.
При проектировании СЛУ решают две главные задачи. Первая задача — разработка схемы СЛУ на основе комбинации серийных микропроцессорных устройств и блоков и вторая — программиро-
вание контроллера — основного логического устройства системы управления. Практические методы решения этих задач [4–9], при-
менительно к ПЛК ПО «ОВеН», рассмотрены в разделе 4 данного учебного пособия. Раздел 1
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИя И РЕГУЛИРОВАНИя: ИзБРАННЫЕ ГЛАВЫ ДИСЦИПЛИНЫ
ГЛАВА 1
ОСНОВНЫЕ ПОНяТИя И ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИя СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИя И РЕГУЛИРОВАНИя
1.1. Объект управления
Протекание всякого технологического процесса характеризу-
ется совокупностью физических величин — показателей процесса. Для правильного протекания процесса на некоторые из этих ве-
личин должны быть наложены определенные условия, например, поддержание их постоянных значений или изменение показателей процесса по заданному закону.
Примеры:
поддержание постоянных температуры и влажности в жи-• вотноводческих помещениях, инкубаторах и хранилищах сельскохозяйственных продуктов;
изменение температуры в печи для термообработки деталей • по заданному графику.
19
Глава1. Основныепонятияипринципыпостроениясистем…
В общем случае под понятием «управление технологическим процессом» понимают совокупность операций, необходимых для пуска, остановки процесса, а также поддержания или изменения в требуемом направлении физических величин (показателей про-
цесса). Осуществляющие технологические процессы отдельные машины, агрегаты, аппараты, устройства, комплексы машин и ап-
паратов, которыми необходимо управлять, в автоматике называют объектами управления или управляемыми объектами.
Управляемые объекты весьма разнообразны по своему назначению, принципу действия, конструкции, например: электрические двигатели и генераторы, котельные установки, электрообогреваемые полы, водо-
нагреватели, животноводческие помещения с точки зрения поддержа-
ния в них показателей микроклимата, парники, теплицы и т. д.
Показатель технологического процесса (он представляется всегда какой-либо физической величиной), которым необходимо управлять, называют управляемой величиной (координатой), а ту фи-
зическую величину, посредством которой управляется показатель технологического процесса, называют управляющим воздействием (входной величиной, координатой). Так, если объектом управления является паровой котел (рис. 1.1, а), одним из показателей техно-
логического процесса в котором является уровень воды Н, то этот показатель и будет управляемой величиной. Очевидно,что управ-
ляющим воздействием для рассматриваемого объекта управления будет расход воды Q
В
, подаваемой в котел.
если объектом управления является проточный электроводо-
нагреватель (рис. 1.1, б), предназначенный для подогревания воды в системе поения животных, то управляемой величиной объекта будет температура воды θ на его выходе, а управляющим воздей-
ствием — мощность Р, выделяемая нагревательным элементом.
В объектах управления управляемая величина зависит не только от управляющего воздействия, но и от факторов, вызываю-
щих ее отклонение от заданного (предписанного) значения. Эти факторы принято называть возмущающими воздействиями (внеш-
ними возмущениями или просто возмущениями). Очевидно, в объ-
екте управления — котельной установке (рис. 1.1, а) возмущением будет количество потребляемого пара Q
П
, являющееся первопри-
чиной отклонения уровня воды Н от заданного значения. В про-
точном водонагревателе (рис. 1.1, б) основным возмущением явля-
ется расход воды Q, потребляемый из водонагревателя.
чтобы осуществлять управление, объект должен иметь регули-
рующий орган, изменяя положение или состояние которого, можно 20
Компьютерныетехнологииимикропроцессорныесредствавуправлении
изменять управляемую величину. Так, для объекта управления — парового котла регулирующим органом может быть заслонка, управляющая расходом воды, а для проточного водонагревателя — нагревательный элемент.
аб
Рис. 1.1.Паровойкотел(а)ипроточныйводонагреватель(б)
какобъектуправления
Объекты управления совместно с регулирующими органами, независимо от их физической сущности, принято изображать гра-
фически (рис. 1.2, а).
В некоторых случаях, когда управляющий орган конструктивно выполнен таким образом, что его невозможно отделить от объекта управления, его графическую интерпретацию целесообразно пред-
ставлять единым целым, не показывая на схемах регулирующего органа (рис. 1.2, б). Так, проточный водонагреватель (рис. 1.1, б), нагревательный элемент которого конструктивно неотделим от него, можно рассматривать в виде, показанном на рис. 1.3, б.
Для парового котла (рис. 1.1, а), регулирующий орган (за-
слонка) которого отделен от объекта управления (заслонку, в прин-
ципе можно устанавливать в любом месте трубопровода, по кото-
рому подается вода), применимо его графическое представление в виде, приведенном на рис. 1.2, а. При этом следует рассматривать в качестве управляемой величины уровень воды Н, управляющего воздействия x расход воды Q
В
, возмущающего воздействия расход 21
Глава1. Основныепонятияипринципыпостроениясистем…
пара Q
П
, а в качестве входной величины (координаты) регулирую-
щего органа x
вх
перемещение заслонки l.
Рис. 1.2. Графическое представление объекта управления со-
вместно срегулирующим органом (а) ибез него (б): ОУ—объект
управления; РО—регулирующий орган; y—управляемая вели-
чина (координата); x—управляющее воздействие (входная вели-
чина, координата); f—возмущающее воздействие (возмущение);
x
вх
—входнаявеличина(координата)регулирующегооргана
Р и с. 1.3.Г р а ф и ч е с к о е п р е д с т а в л е н и е п р о т о ч н о г о в о д о н а г р е в а -
т е л я к а к о б ъ е к т а у п р а в л е н и я ( О У ) с в ы д е л е н и е м р е г у л и р у ю щ е г о о р г а н а — Р О ( а ) и б е з е г о в ы д е л е н и я ( б )
Р а с с м о т р е н н о е в ы ш е п р е д с т а в л е н и е о б ъ е к т о в у п р а в л е н и я о т -
н о с и т с я к т е х н о л о г и ч е с к и м п р о ц е с с а м и у с т а н о в к а м с о д н о й у п р а в л я е м о й в е л и ч и н о й. И х п р и н я т о н а з ы в а т ь о д н о м е р н ы м и о б ъ -
е к т а м и у п р а в л е н и я. Н а р я д у с т а к и м и е с т ь о б ъ е к т ы, у к о т о р ы х м о г у т б ы т ь н е с к о л ь к о у п р а в л я е м ы х в е л и ч и н. О н и н а з ы в а ю т с я м н о г о м е р -
н ы м и о б ъ е к т а м и у п р а в л е н и я.
Р а с с м о т р и м п р и м е р ы н е к о т о р ы х м н о г о м е р н ы х о б ъ е к т о в у п р а в -
л е н и я.
П р и м е р 1.1. И н к у б а ц и о н н а я к а м е р а к а к о б ъ е к т а в т о м а т и ч е -
с к о г о у п р а в л е н и я. В с о о т в е т с т в и и с з о о т е х н и ч е с к и м и т р е б о в а -
22
Компьютерныетехнологииимикропроцессорныесредствавуправлении
ниями в процессе инкубации яиц необходимо стабилизировать температуру θ
K
и влажность ϕ
К
в камере инкубатора (рис. 1.4). Температуру в камере инкубатора регулируют посредством измене-
ния температуры θ
Н
нагревательного элемента 3, установленного в инкубаторе. Влажность воздуха ϕ регулируют изменением количе-
ства распыленной воды S специальной форсункой в поток воздуха, подаваемого в инкубационную камеру. Главными возмущениями, вызывающими отклонения температуры θ
к
и влажности ϕ
к
, явля-
ются температура θ
0
и влажность ϕ
0
окружающего воздуха.
аб
Рис. 1.4.Инкубационнаякамеракакобъектуправления(а—упро-
щеннаясхема,б—функциональнаясхема):1—инкубационнаяка-
мера;2—лотоксяйцами;3—нагревательныйэлемент;4—фор-
сунка;θ
к
—температуравнутрикамеры—управляемаявеличина;
θ
Н
—температуранагревательногоэлемента–управляющеевоз-
действие;φ
к
—влажныйвоздухвкамере—управляемаявеличина;
S—количество распыленной воды—управляющее воздействие;
θ
0
, φ
0
—температура и влажность окружающей среды—возму-
щающиевоздействия
С учетом рассмотренных входных и выходных величин, харак-
теризующих процесс инкубации яиц, камеру можно представить в виде двухмерного объекта управления (рис. 1.4, б).
Пример 1.2. Животноводческое помещение как объект авто-
матического управления. зоотехнические требования к содержа-
23
Глава1. Основныепонятияипринципыпостроениясистем…
нию животных требуют, чтобы температура θ, влажность ϕ и кон-
центрация вредных газов q (аммиака и др.) в помещении имели определенные значения. Все эти показатели микроклимата тесно связаны между собой. Поэтому животноводческое помещение как объект автоматического управления можно рассматривать относи-
тельно этих показателей, приняв их в качестве управляемых вели-
чин (θ, ϕ, q) и соответствующих им управляющих (регулирующих) и возмущающих воздействий.
На животноводческое помещение действуют следующие внеш-
ние возмущения (возмущающие воздействия):
температура • θ в помещении изменяется в зависимости от внешних природно-климатических факторов (от окружаю-
щей температуры θ
0
, влажности атмосферного воздуха ϕ
А
, скорости ветра v
В
и др.), а также от жизнедеятельности жи-
вотных (количество выделяемой животными теплоты Q
Ж
и влаги);
влажность • ϕ воздуха в помещении в основном зависит от влажности атмосферного воздуха ϕ
А
, а также от жизнедеятель-
ности животных (количества влаги, выделяемой животными);
концентрация вредных газов зависит от количества выделе-• ний животных S
Ж
(навоза, мочи).
Все рассмотренные выше возмущения вызывают отклонения регулируемых величин (θ, ϕ, q) от заданных значений, регулиро-
вание которых осуществляется следующими методами и устрой-
ствами.
Температуру воздуха θ изменяют посредством нагревательных установок (электрокалориферов, теплогенераторов), то есть за счет изменения количества теплоты Q
К
, которое отдают нагрева-
тельные установки.
Регулирование влажности ϕ воздуха и концентрации вредных газов q обеспечивают с помощью низконапорных вентиляторов, то есть путем изменения количества воздуха Q
В
, подаваемого в поме-
щение.
Таким образом, животноводческое помещение можно предста-
вить в виде трехмерного объекта управления, показанного на рис. 1.5.
1.2. Функциональные элементы и функциональные схемы автоматических систем
Воздействие на управляющий (регулирующий) орган объекта управления или непосредственно на сам объект поступает от управля-
24
Компьютерныетехнологииимикропроцессорныесредствавуправлении
ющего устройства, состоящего из определенного комплекса техниче-
ских средств. Объект управления совместно с управляющим устрой-
ством представляют систему автоматического управления (САУ).
Рис. 1.5.Животноводческоепомещениекактрехмерныйобъект
управления
В зависимости от объекта управления управляющее устройство САУ может быть построено на основе большого многообразия ме-
ханических, электрических, гидравлических, пневматических и др. технических устройств, называемых элементами автоматики.
Элемент автоматики — это часть устройства автоматической системы управления, в которой происходят качественные или ко-
личественные преобразования физических величин. Помимо пре-
образования физических величин элемент автоматики служит для передачи сигнала от предыдущего элемента к последующему. Не-
зависимо от физического принципа работы любой элемент при-
нято изображать графически (рис. 1.6).
Рис. 1.6. Графическое изображение элемента автоматики: х
вх
их
вых
—соответственно входная ивыходная величины элемента
(входнаяивыходнаякоординаты,входнойивыходнойсигналы)
Элементы, входящие в САУ, выполняют различные функции и в зависимости от функционального назначения подразделяются на воспринимающие, преобразующие, исполнительные, задающие и корректирующие органы (элементы), а также на элементы сложения и вычитания сигналов.
Воспринимающие органы (чувствительные элементы) предна-
значаются для измерения и преобразования контролируемой или 25
Глава1. Основныепонятияипринципыпостроениясистем…
управляемой величины объекта управления в сигнал, удобный для передачи и дальнейшей обработки.
Примеры: датчики для измерения температуры (термопары, терморезисторы), влажности, частоты вращения, силы и т. д.
Усилительные органы (элементы), усилители — устройства, ко-
торые, не изменяя физической природы сигнала, производят лишь усиление, т. е. увеличение его до требуемого значения. В автома-
тических системах применяются механические, гидравлические, электронные, магнитные, электромеханические (электромагнитные реле, магнитные пускатели), электромашинные усилители и т. п.
Преобразующие органы (элементы) преобразуют сигналы одной физической природы в сигналы другой физической природы для удобства дальнейшей передачи и обработки.
Примеры: преобразователи неэлектрических величин в элек-
трические.
Исполнительные органы (элементы) предназначаются для из-
менения значения управляющего воздействия на объекте управле-
ния, если объект представляет собой единое целое с управляющим органом, либо для изменения входных величин (координаты) регу-
лирующего органа, который также следует рассматривать как эле-
мент САУ. По принципу работы и конструкции исполнительные и регулирующие элементы многообразны.
Примеры: нагревательные элементы в системах управления температурой, вентили и клапаны с электрическим приводом в си-
стемах регулирования расхода жидкости и газа и т. д.
задающие органы (элементы) предназначены для задания тре-
буемого значения управляемой величины.
Корректирующие органы (элементы) служат для коррекции САУ с целью улучшения их работы.
Все рассмотренные элементы условно изображены на рис. 1.7.
Рис. 1.7.Условноеобозначениеэлементовавтоматики:
х
вых
—выходнаявеличина(координата);х
вх
—входнаявеличина
(координата)
26
Компьютерныетехнологииимикропроцессорныесредствавуправлении
Для сложения и вычитания сигналов применяют соответственно элементы сложения и вычитания. Они изображены на рис. 1.8.
аб
Рис. 1.8.Графическоеизображениеэлементовсложения(а)
ивычитания(б)сигналов
Примеры элементов сложения и вычитания показаны на рис. 1.9.
аб
Рис. 1.9.Схемысложения(а)ивычитания(б)электрических
сигналов
Элемент вычитания сигналов принято называть сравниваю-
щим органом (элементом) и символьно обозначать как СО (СЭ).
На основе классификации и условных обозначений элемен-
тов, рассмотренных выше, для удобства анализа и расчета САУ составляют так называемые функциональные схемы. Они отра-
27
Глава1. Основныепонятияипринципыпостроениясистем…
жают функциональное назначение отдельных элементов САУ, их взаимосвязь и показывают последовательность передачи и пре-
образования сигналов. Графические изображения, показанные на рис. 1.2 – 1.6, по своей сути являются элементарными функцио-
нальными схемами. Полные функциональные схемы автоматиче-
ских систем рассматриваются в последующих подпунктах и главах данного пособия.
1.3. Принципы работы систем автоматического управления и регулирования
В автоматике существуют два основных принципа построения автоматических систем управления: по разомкнутому и замкну-
тому циклам. В связи с этим САУ по принципу управления под-
разделяются на разомкнутые и замкнутые. В разомкнутых САУ про-
цесс управления осуществляется по принципу, когда информация об изменении управляемой величины не используется в процессе управления. В замкнутых САУ осуществляется постоянный или периодический контроль за изменением управляемой величины, и эта информация используется непосредственно в процессе управ ления. В нижеследующих подпунктах рассмотрены САУ, ре-
ализующие эти основные принципы управления.
1.3.1. Разомкнутые системы автоматического управления
Рассмотрим принципы управления и работы САУ по разомкну-
тому циклу на примере двигателя постоянного тока с независимым возбуждением (рис. 1.10, а). Двигатель постоянного тока, в котором невозможно вычленить регулирующий орган (якорную цепь двигателя), как объект управ-
ления можно рассматривать в виде, показанном на рис. 1.10.
аб
Рис. 1.10.Электродвигательпостоянноготокакакобъект
управления
28
Компьютерныетехнологииимикропроцессорныесредствавуправлении
Управляемой величиной объекта является угловая скорость Ω, основным возмущающим воздействием — момент сопротивле-
ния М
С
на валу электродвигателя, создаваемый рабочей машиной, а управляющим воздействием — напряжение якоря двигателя U
я
. Взаимосвязь рассмотренных величин (координат) для данного объекта управления следующая: увеличение момента сопротивле-
ния М
С
приводит к снижению скорости вращения Ω вала двига-
теля, а снижение момента М
С
— к росту Ω, увеличение напряжения якоря U
я
вызывает рост скорости Ω, а его уменьшение приводит к обратному эффекту. Следовательно, изменяя управляющее воз-
действие — напряжение на якоре двигателя, можно управлять ско-
ростью вращения его вала.
На рис. 1.11 приведена схема системы управления скоростью вала двигателя постоянного тока М
1
по разомкнутому циклу.
Рис. 1.11.Схемауправлениядвигателемпоразомкнутомуциклу
Передвигая движок реостата R, мы изменяем ток возбужде-
ния в обмотке ОВ генератора G
1
, что приводит к изменению его ЭДС и, следовательно, напряжения, подводимого к якорю двига-
теля М
1
. На рис. 1.11 показана также вспомогательная электриче-
ская машина (тахогенератор G
2
), механически связанная с валом двигателя М
1
, и генерирующая ЭДС Е, пропорциональную угло-
вой скорости двигателя Ω. К щеткам тахогенератора подключен вольтметр PV, шкала которого проградуирована в единицах угло-
вой скорости вала двигателя. Вольтметр допускает только визуаль-
ный контроль за скоростью вала двигателя. если предположить, что характеристики электрических машин в схеме стабильны, то каждому положению движка реостата будет соответствовать опре-
деленная скорость вала двигателя М
1
при неизменном его моменте 29
Глава1. Основныепонятияипринципыпостроениясистем…
сопротивления М
С
. И далее, если предположить, что момент со-
противления (нагрузки) М
С
на валу двигателя будет изменяться по заранее известному графику (рис. 1.12), то, изменяя положение реостата с помощью программного устройства А в соответствии с известным графиком нагрузки, можно автоматически поддержи-
вать угловую скорость двигателя неизменной.
Рис. 1.12.ГрафикизменениямоментасопротивленияМ
С
навалу
двигателя
В таком случае мы получим САУ, работающую на основе прин-
ципа управления по разомкнутому циклу, т. е. разомкнутую САУ. Такая САУ может с достаточной точностью работать лишь при условии, что характеристики элементов схемы (рис. 1.11) доста-
точно стабильны и что никаких причин, нарушающих требуемый режим работы, нет. На самом деле данная система подвержена вся-
кого рода возмущениям (как на сам объект управления, так и на составные части управляющего устройства), отклоняющим ее ре-
жим от заданного. К их числу следует отнести изменения напряже-
ния питающей сети, скорости вращения приводного двигателя М
2
генератора G
1
; колебания температуры окружающей среды, при-
водящие к изменению сопротивления обмоток, а следовательно, к изменению токов, нестабильность сопротивления щеточных контактов, гистерезис и т. п.
30
Компьютерныетехнологииимикропроцессорныесредствавуправлении
Данную разомкнутую САУ можно представить функциональ-
ной схемой, показанной на рис. 1.13. В этой системе роль усили-
тельного и исполнительного органа выполняет генератор G
1
, от которого питается якорная цепь двигателя М
1
. Из рассмотрения схем (рис. 1.11, 1.13) видно, что сигнал воспринимающего органа (ВО) — тахогенератора G
2
не используется для формирования управляющего воздействия объекта управления. Он отображается на вольтметре PV только с целью индикации. Анализируя рассмотренную выше систему управления, можно сформулировать общий принцип работы разомкнутых САУ. Он состоит в следующем: в разомкнутых САУ автоматическое управ-
ление осуществляется в соответствии с заданием, но информация о фактическом изменении управляемой величины не используется в процессе управления.
Рис. 1.13.ФункциональнаясхемаразомкнутойСАУдвигателем
Разомкнутые САУ имеют вход и выход. Точка, где можно изме-
рить управляемую величину, называется выходом системы, а точка приложения задающего воздействия — входом (рис. 1.13).
Разомкнутые САУ применяются в установках, для которых из-
вестен закон изменения возмущающего воздействия во времени. Во всех других случаях эти системы не обеспечивают необходимой точности управления, т. е. они не компенсируют влияние всех воз-
мущающих воздействий на управляемую величину.
1.3.2. Системы автоматического управления по возмущению
Разомкнутые САУ, рассмотренные в п.п. 1.3.1, могут компенси-
ровать влияние основного возмущающего воздействия только при стабильном графике его изменения. если такой график будет неста-
31
Глава1. Основныепонятияипринципыпостроениясистем…
бильным, то разомкнутая САУ будет неработоспособной. Полную компенсацию влияния главного возмущения на объект управления при любом его нестабильном графике обеспечивает так называе-
мый принцип управления по возмущению
*
, сущность которого сле-
дующая: с помощью датчика [воспринимающего органа (чувстви-
тельного элемента)] измеряется основное (главное) возмущение и, в зависимости от его знака и величины, формируется управляющее воздействие на объекте управления, которое компенсирует отрица-
тельное влияние возмущения на управляемую величину.
Рассмотрим этот принцип управления применительно к элек-
тродвигателю постоянного тока (рис. 1.10), главным возмущением которого является момент сопротивления на валу М
С
(рис. 1.14).
Рис. 1.14.ПринципиальнаясхемаСАУдвигателем
повозмущению(насхемеприводнойдвигательгенератораG
1
непоказан)
Рис. 1.15.ФункциональнаясхемаСАУдвигателем
повозмущению
* САУ, построенные на основе этого принципа, относятся к классу разомкнутых систем, так как информация об изменении управляемой величины не используется в процессе управления.
32
Компьютерныетехнологииимикропроцессорныесредствавуправлении
Для контроля момента сопротивления в этой системе использо-
ван датчик крутящего момента. Он преобразует деформации враща-
ющегося элемента датчика 1, возникающие под действием крутя-
щего момента, создаваемого рабочей машиной РМ, в электрический сигнал U
1
с помощью специального преобразователя 2. Этот сигнал увеличивается усилителем DA
1
, и усиленный сигнал U
2
суммируется с задающим сигналом U
0
. Общий сигнал ΔU = U
0
+ U
2
посредством усилителя DA
2
и генератора G
1
преобразуется в напряжение U
я
, ко-
торое прикладывается к якорной цепи электродвигателя М
1
.
Данная САУ настраивается и работает следующим образом. При номинальном моменте сопротивления посредством измене-
ния задающего сигнала U
0
задают номинальную угловую скорость электродвигателя Ω = Ω
Н
. В процессе работы САУ вследствие из-
менения загрузки рабочей машины изменяется величина момента сопротивления. Предположим, что момент сопротивления возрос. При этом угловая скорость в соответствии с механической харак-
теристикой двигателя снизится. Увеличение значения момента сопротивления М
С
приведет к возрастанию напряжений U
1
, U
2
и суммарного сигнала ΔU = U
0 + U
2
, а, следовательно, к увеличению напряжения U
я
в якорной цепи двигателя. В результате этого угло-
вая скорость электродвигателя увеличится до номинального значе-
ния Ω = Ω
Н
. При снижении момента сопротивления угловая ско-
рость увеличится, напряжение U
2
и суммарный сигнал ΔU = U
0
+ U
2
уменьшатся. В результате угловая скорость снизится до номиналь-
ного значения.
1.3.3. Системы автоматического управления по отклонению 
(замкнутые системы автоматического управления)
Полную компенсацию влияния всех внешних возмущений на управляемую величину обеспечивает принцип управления по замкнутому циклу, называемый еще принципом управления по от-
клонению. Это объясняется тем, что суммарный эффект всех воз-
мущений проявляется в виде отклонения управляемой величины от требуемого значения.
Рассмотрим, как можно компенсировать отрицательное влия-
ние всех возмущений на примере системы управления скоростью двигателя постоянного тока (рис. 1.10, 1.11), используя принцип управления по замкнутому циклу. Этого можно достичь, не пы-
таясь измерять каждое возмущение, а имея только лишь инфор-
мацию о суммарном (интегральном) эффекте всех возмущений, вызывающем отклонение скорости электродвигателя от задан-
Серия
«Среднее профессиональное образование»
Учебное пособие
Карташов Борис Александрович,
Привалов Анатолий Семенович,
Самойленко Владимир Валерьевич,
Татамиров Николай Иванович
КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 
И МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СРЕДСТВА 
В АВТОМАТИЧЕСКОМ УПРАВЛЕНИИ
Ответственный редактор Разномазов В. М.
Технический редактор Логвинова Г. А.
Компьютерная верстка: Елфимова М. А.
Сдано в набор 31.07.2012 г. Подписано в печать 7.08.2012 г.
Формат 84 х108 1
/ 32
. Бумага офсетная.
Гарнитура Newton.
Тираж 2 500. Заказ № ООО «Феникс»
344082,
 г
. Ростов-на-Дону, пер. Халтуринский, 80
Отзывы и предложения по изданию присылайте на адрес редакции
E-mail: raznomazov_vm@mail.ru
Тел. 8 (863) 261-89-78
Автор
phoenixbooks
Документ
Категория
Методические пособия
Просмотров
771
Размер файла
537 Кб
Теги
phoenixbooks, www, www.phoenixbooks.ru, Книги издательства Феникс
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа