 |
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция
Объект управления
ВВЕДЕНИЕ
Управление состоит в том, чтобы, оказывая воздействие на объект, изменять протекающие в нем процессы для достижения определенной цели. В любой системе, где есть управление, всегда можно выделить две подсистемы. Первая – это объект управления – то, чем управляют. Вторая – это средства управления – устройства, элементы, осуществляющие управление. Управление может быть ручным, полуавтоматическим и автоматическим – в зависимости от степени участия в процессе управления человека-оператора. При ручном управлении функции управления целиком выполняет человек. Автоматическое управление осуществляется без участия человека-оператора с помощью специальных технических устройств. Полуавтоматическое управление – это промежуточный вариант между ручным и автоматическим управлением.
Основная задача теории автоматического управления (ТАУ) - разработка общих принципов создания и функционирования автоматических устройств.
Очень важно, что разнообразные физические процессы могут быть описаны в рамках одних и тех же математических структур (дифференциальных уравнений). Поэтому ТАУ оперирует не с конкретными техническими описаниями, а с классами математических моделей. Это придает теории автоматического управления внешний облик математической дисциплины. Но по своему содержанию и направленности ТАУ остается технической наукой. Это проявляется при выборе математической модели, приложении и трактовке получаемых результатов, а именно:
– модель любого реального объекта обладает специфическими особенностями; без понимания «физики» процессов невозможен выбор и обоснование адекватной модели;
– любая модель лишь приближенно отражает свойства реального объекта, позволяет только прогнозировать его реакцию на воздействия; поэтому очень важна проверка результатов и их правильная трактовка.
Важно понимать, что при технических приложениях исходными являются не уравнения, а реальный физический объект и реально используемые технические средства управления. Несмотря на разнообразие технических проблем, существуют общие подходы, общие принципы создания систем управления (СУ).
Принципы автоматического управления
Функциональная схема САУ
Любая система автоматического управления (САУ) строится из нескольких функциональных блоков: объекта управления, исполнительного устройства, датчика обратной связи и управляющего устройства.
Объект управления
Объект управления (ОУ) - это физическая система, которой управляют для достижения требуемой цели. Объекты управления могут иметь различную природу. Прежде всего, выделим технические объекты: механические, электротехнические, тепловые.
В механических объектах управляемыми являются процессы изменения координат и скоростей, а управляющими воздействиями - внешние силы; цель управления состоит в получении требуемых траекторий (движение инструмента станка ЧПУ, рабочего органа промышленного робота, снаряда и т. д.).
В электротехнических объектах управляют процессами изменения токов, напряжений, мощностей за счет внешних ЭДС, потенциометров, варикапов для обеспечения постоянства напряжений или максимизации мощности.
В теплотехнических объектах управляемыми являются процессы изменения температур; воздействия осуществляются путем подвода или отвода тепловой энергии с целью обеспечения заданного распределения температур или стабилизации температуры на определенном уровне.
Можно привести примеры управления объектами в других сферах жизнедеятельности:
- социально-экономические объекты (цель – повышение уровня жизни; воздействия – рыночные механизмы, валютный курс, уровень инфляции, инвестиции);
- военно-политические объекты (цель – мировое или региональное господство; воздействия – использование военной силы, переговоры, экономическое влияние);
- биологические объекты, человек (гомеостаз – комплекс защитных реакций организма, направленных на стабилизацию характеристик различных органов и систем при изменении температуры, давления, физических нагрузок и других внешних и внутренних факторов).
Изображение ОУ на структурной схеме представлено на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Обозначение объекта управления (ОУ) на структурной схеме
Функциональный объект - в прямоугольнике; v (t), z (t) - входы, y (t) - выход. Смысл сигналов: v (t) - управляющее воздействие; z (t) - внешнее возмущение; y (t) - набор характеристик состояния.
Пример ОУ - промышленный робот (ПР, рис. 1.2).
Рис. 1.2 – Схема ПР
Цель управления роботом – воспроизведение требуемой траектории движения схвата. v (t) – силы и моменты от приводов степеней подвижности M j, Fr, Fz; z (t) – технологическая нагрузка, силы и моменты сил трения; y (t) = x c, y c, z c, … - координаты центра схвата и углы его ориентации в пространстве.
1.1.2. Исполнительное устройство (привод)
Исполнительное устройство (ИУ, рис. 1.3) предназначено для выработки воздействий, превращения сигнала управления (обычно электрического) в механическое усилие, поток тепла, поток вещества, с помощью которых реализуется управление.
Рис. 1.3. Обозначение исполнительного устройства
на структурной схеме
На входИУ поступает сигнал u (t) - сигнал управления (электрический сигнал, перемещение заслонки и т. д.), на выходе действует управляющее воздействие v (t).
Из устройства управления поступает сигнал с низким уровнем мощности. ИУ реализует две основные функции: повышение мощности сигнала и преобразование сигнала управления в управляющее воздействие требуемого типа. Первая реализуется усилителями мощности, вторая - двигателями. Общим для любых ИУ является использование энергии от внешних источников (блоков питания электрического тока, напорных установок гидродвигателей, пневмосетей) и ограничение возможного уровня управляющего воздействия конструкцией ИУ.
Примеры двигателей
1. Электромагнит – заслонка (рис. 1.4)
Рис. 1.4. Электромагнит – заслонка
Якорь электромагнита перемещается в электромагнитном поле, создаваемом током, протекающим через катушку. За счет этого осуществляется управление заслонкой, следовательно, и подачей рабочей жидкости или газа.
2. Электрический двигатель
Наиболее часто в управляемых приводах используются серводвигатели. Они могут быть построены на базе синхронных или асинхронных двигателей, а также двигателей постоянного тока.
Двигатель постоянного тока (рис. 1.5).Ротор вращается под действием электромагнитного вращающего момента, который возникает при взаимодействии постоянного тока I ротора с магнитным потоком F статора.
Рис. 1.5. Двигатель постоянного тока
Двигатель переменного тока (рис. 1.6).Двухфазный серводвигатель, используемый в регуляторах, имеет две обмотки: обмотку питания и обмотку управления, расположенные конструктивно под углом 90°. Изменение угловой скорости ротора обеспечивается изменением амплитуды управляющего напряжения, а реверс двигателя осуществляется изменением фазы управляющего напряжения на противоположное.
Рис. 1.6. Двигатель переменного тока
3. Гидравлический (пневматический) двигатель (рис. 1.7)
Гидравлический (или пневматический) двигатель включает два цилиндра – управляющий цилиндр (золотник) и силовой цилиндр, связанный с выходным звеном. Входным управляющим сигналом гидродвигателя является перемещение золотника (штока управляющего цилиндра), открывающего или закрывающего доступ рабочего тела (сжатой жидкости или газа) к движущемуся поршню силового (рабочего) цилиндра.
Рис. 1.7. Гидродвигатель
Примеры усилителей
1. Операционный усилитель (рис. 1.8)
а б
Рис. 1.8. Усилители: а – сумматор, б - интегратор
2. Гидроусилитель (рис. 1.9)
Гидроусилитель, по-существу, представляет собой гидродвигатель, в который вводится жесткая связь между валами силового цилиндра и золотника.
Рис. 1.9. Гидроусилитель
В результате перемещение поршня силового цилиндра оказывается пропорциональным управляющему перемещению х «рукоятки». Смысл использования устройства – усиление мощности: на рабочем поршне возникают значительные усилия, которые прикладываются к нагрузке.
Поиск по сайту: