1.2 Структура и функциональные компоненты Системы автоматического управления( САУ)

Привет, Вы узнаете о том , что такое структура сау, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое структура сау, компоненты сау, система автоматического управления , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Математические основы теории автоматического управления.

1.2.1. Схема и функциональные компоненты систем управления.

система автоматического управления содержит следующие функциональные компоненты (рис.1.9):

• объект (управляемый процесс);
• исполнительные устройства ИсУ;

Рис. 1.9. Функциональная схема САУ

• измерительные устройства ИзУ;
• устройство управления УУ.

Объектами технических систем служат: кинематические механизмы, электрические, химические, тепловые процессы и другие технологические процессы.

Текущее состояние объекта характеризуется переменными состояния x _i=x_i(t ) (точное определение см. п. 3.1.1), к которым относятся физические величины:

• угловые и линейные координаты, скорости и другие механические переменные, описывающие движения кинематических механизмов;
• токи или напряжения электрических элементов схемы;
• температуры и плотности веществ в тепловых и химических процессах

и т.д.

Переменные состояния объединяются в вектор состояния

x(t) = {x _i} = .

К регулируемым, или выходным, переменным y_j =y_j(t) относятся те переменные объекта (управляемого процесса), по отношению к которым формулируется основная задача управления. Выходные переменные объединяются в вектор выхода

y = {y_j}= .

Для многозвенных кинематических механизмов вектор выхода обычно представлен декартовыми координатами рабочей точки механизма (например, схвата робота манипулятора, см. пример 1.2).

Входами объекта являются управляющие органы, к которым прикладываются воздействия U_j исполнительных устройств системы.

Это - входные оси кинематических механизмов, входные схемы электрических систем, нагревательные элементы и вентили тепловых и химических процессов, к которым приложены силы или моменты сил электроприводов, электрические напряжения и т.д., вызывающе движение (развитие) управляемого процесса.

Объекты с одним входом и одним выходом ( m=1 ) называются одноканальными. Соответственно, к многоканальным относят объекты с несколькими входами и/или выходами. Последние могут иметь автономные

(независимые друг от друга) каналы. Часто каналы многоканального объекта оказываются взаимозависимы и такой объект называются многосвязным .

К внешней среде системы управления относятся внешние процессы, оказывающие влияние на поведение управляемого объекта. Среда является источником следующих факторов (воздействий):

• помех измерения _j(t ) (см. п. 1.1.1);
• возмущающих воздействий f_j (t);
• внешних задающих воздействий y*(t) (см. п. 1.1.3).

К возмущающим относят воздействия, препятствующие функционированию объекта (силы сопротивления для кинематических механизмов, температура окружающей среды для тепловых процессов и т.д.). Возмущающие воздействия объединяются в вектор возмущений

f= {f_j} = .

Измерительные устройства (датчики) предназначены для получения информации об объекте и внешней среде у _j , т.е. для электрического измерения переменных состояния, выходных переменных, внешних задающих воздействий и т. д. Различают следующие типы измерительных устройств:

• датчики внутренней информации, предназначенные для измерения переменных объекта (системы управления);
• датчики внешней информации (сенсоры, средства очувствления, средства внешнего контроля) - измерители состояния внешней среды, либо положения объекта по отношению к внешним объектам. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . В состав измерительных устройств часто включают также вычислительные блоки, осуществляющие первичную обработку информации.

Исполнительные устройства - это устройства, предназначенные для усиления маломощных управляющих сигналов u_j и создания энергетических воздействий U_j на входах объекта, т.е. управляемые источники механической, электрической или тепловой энергии. Наиболее распространенный тип электромеханического исполнительного устройства - это электропривод или управляемый преобразователь электрической энергии в механическую (см. пример 1.2).

Устройство управления - это вычислительный блок обрабатывающий полученную с помощью измерителей текущую информацию о состоянии объекта и внешней среды и формирующий управляющие воздействия u_j , т.е. маломощные информационные сигналы, поступающие на исполнительные устройства объекта. Управляющие воздействия объединяются в вектор управления

u = {u_j} = .

В функции устройства управления входит:

• идентификация объекта и среды (анализ их текущего состояния и, может быть, параметров);
• генерация внутренних задающих воздействий;
• расчет управляющих воздействий u_j по предписанным формулам (алгоритмам управления).

Рис. 1.10. Система управления звеном робота манипулятора.

Пример 1.2. Управление положением кинематического механизма.

Функциональная схема простейшей одноканальной системы управления звеном робота манипулятора (РМ) представлена на рис. 1.10, где введены следующие обозначения:

y(t) - текущее положение звена РМ,
y* - заданное положение,
y'(t) - измеренное положение,
u(t) - управляющий сигнал.

Рис. 1.11. Электропривод

Желаемое положение звена вводится в систему с помощью задающего потенциометра R1 , который является простейшим задающим блоком (ЗБ). Измерительный потенциометр R2 выполняет функции датчика положения (измерительного устройства). Исполнительным устройством является электропривод, состоящий из усилителя мощности У, электродвигателя ЭД и механической передачи (редуктор, шариковинтовая передача и т.д.), связанной с управляемым звеном РМ. Схема электропривода представлена на рис. 1.11, где U - напряжение на входе электродвигателя, - угол поворота вала ЭД.

Важнейшим элементом системы является регулятор, который реализуется на базе аналоговых элементов (усилителей, сумматоров, интеграторов и т.д.) или цифровых схем (ЭВМ). Регулятор рассчитывает значения управляющего сигнала u(t ) на основании информации о заданном y* и реальным y(t ) (а точнее, измеренном y'(t )) положении звена. Простейший тип регулятора - пропорциональный, или П-регулятор, осуществляющий расчеты по формуле (алгоритму):

(1.6) u(t) = k (t)

где k - коэффициент пропорциональности, - ошибка (отклонение, рассогласование) вычисляемая как.

(1.7) (t) = y(t) - y'(t).

Рассматриваемая система управления предназначена для решения терминальной задачи - задачи перемещения звена РМ в заданное конечное (терминальное) положение y*: y y* , или, иначе, устранение ошибки положения .

Структурная схема системы управления положением, а также временные диаграммы, поясняющие ее работу, представлены на рис. 1.12, 1.13. Система содержит блок управления, состоящий из задающего блока и регулятора, а также исполнительное (электропривод) и измерительное устройство.

Рис. 1.12. Структурная схема системы управления положением

Рис. 1.13.

В переходном процессе можно выделить три этапа. В начале работы системы (от момента времени t₀ до момента t₁ ) предполагается, что задающая рукоятка потенциометра R1 и само звено РМ находятся в нулевом положении y=0 . Так как при этом движки задающего R1 и измерительного R2 потенциометров также занимают нулевые положения: y*=y'=0 , то ошибка отсутствует, управляющий сигнал u =0 и, поэтому электропривод находится в состоянии покоя. Второй этап - отработка задающего воздействия. В момент t₁ задающая рукоятка переводится в положение y* , что приводит к появлению сигнала ошибки = y - y' и пропорционального ей управляющего сигнала u . Последний после усиления приводит в движение электродвигатель и, следовательно, звено РМ. В момент t₂измерительный потенциометр R2 занимает положение y'=y* , сигнал ошибки опять принимает нулевое значение (t)=0 и система останавливается. На третьем этапе ( t>t₂ ) система обеспечивает стабилизацию звена в положении y=y*.

Важно отметить, что реальное поведение системы будет отличаться от рассмотренной идеальной ситуации. Во-первых, в силу инерционных свойств ЭП и объекта (звена РМ) возможно получение колебательного процесса и перерегулирование системы, когда в процессе движения объект сначала проходит дальше заданного положения y=y* , а затем возвращается обратно. Числовые значения показателей колебательности и перерегулирования характеризуют динамические свойства системы и относятся к так называемым динамическим показателям ее качества (см. п. 1.4.1). Во-вторых, в реальных системах не обеспечивается абсолютная точность решения задачи управления - по окончанию переходного процесса (т.е. в установившемся режиме) положение РМ реальной системы будет отличаться от задания y* на величину установившейся ошибки _у. Динамические и точностные показатели системы могут быть существенно улучшены с помощью достаточно совершенного алгоритма управления (регулятора).

Для обеспечения более плавного перемещения звена механизма в заданную точку часто используется режим слежения, в котором используется переменное задающее воздействие y*(t ). Такой режим требует использования более сложного задающего блока - программно или аппаратно реализованного генератора.

Для измерения механических переменных кроме простейших датчиков перемещения могут использоваться и другие измерительные устройства и сенсорные системы (тахогенераторы, оптические датчики перемещений, дальномеры и системы технического зрения).

Задача рассматриваемой системы управления заключается в таком перемещении звена, при котором его текущее положение отслеживает заданный закон, или y=y (t ), т.е. относится к классу задач слежения.

Пример 1.3. Система управления многозвенным манипуляционным роботом (рис. 1.14). Здесь в качестве ЗБ используются различного рода задающие генераторы, а измерительные устройства содержат различные сенсоры и средства вычислительной техники, предназначенные для первичной обработки полученной информации. Выходными переменными системы являются декартовы координаты схвата y₁,y₂,y₃ , изменение которых происходит в результате поворотов звеньев на углы _j . Задачи системы - перемещение робота в заданную точку, движение по предписанной траектории и т.д.

Рис. 1.14. Многозвенный манипулятор

На рис. 1.15 представлена схема системы управления движением руки - естественный аналог рассмотренной выше технической системы управления положением РМ.

Рис. 1.15. Система управления движением руки.

1.2.3. Укрупненная схема системы управления.

Рис. 1.16

Система управления может быть представлена в виде двух основных блоков, взаимодействующих с внешней средой (рис. 1.16). Объект управления (ОУ) - это комплекс элементов системы, наиболее тесно связанных с физической природой управляемого процесса, т.е. собственно объект, измерительные и исполнительные устройства. Эта часть САУ обычно проектируется и комплектуется как единое целое и является ее наиболее жесткой частью. Динамические свойства ОУ (математическая модель) находятся с использованием известных физических законов.

Устройство управления (УУ) - блок, выполняющий вычислительные функции, слабо связанные с физической природой ОУ. Алгоритм его работы зависит от динамических свойств управляемого процесса и задач, решаемых системой управления. Аппаратно современные УУ представляют собой универсальные или специализированные средства вычислительной техники. Их программное обеспечение составляют универсальные системные средства и специальные прикладные программы, осуществляющие расчет управляющих воздействий u. Эти устройства легко приспосабливаются к конкретному ОУ и задаче управления, что определяет гибкость и универсальность УУ.

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

• Теория управления
• Теория автоматического управления ( ТАУ )
• Распределенная система управления
• Регулятор ( теория управления)
• Автоматическая бортовая система управления
• Логарифмические частотные характеристики
• Управление с прогнозирующими моделями
• Апериодическое звено

Прочтение данной статьи про структура сау позволяет сделать вывод о значимости данной информации для обеспечения качества и оптимальности процессов. Надеюсь, что теперь ты понял что такое структура сау, компоненты сау, система автоматического управления и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Математические основы теории автоматического управления