Презентация на тему "Основы автоматизации производственных процессов"

Содержание

• 
  Слайд 1

  Основы автоматизации производственных процессов

• 
  Слайд 2

  Основы теории автоматического управления

  Теория автоматического управления- наука, которая изучает процессы управления, методы их исследования и основы проектирования автоматических систем.

  Для осуществления автоматического управления техническим процессом создается система, состоящая из управляемого объекта и связанного с ним управляющего устройства. Как и любое техническое сооружение, система должна обладать конструктивной жесткостью и динамической прочностью.Это означает, что система должна быть способной выполнять свои функции с требуемой точностью, несмотря на инерционные свойстваи неизбежные помехи.

• 
  Слайд 3

  Классификация САУ (САР)

  Все системы автоматического управления и регулирования делятся на следующие основные классы:

  1 .По основным видам уравнений динамики процессов управления:

  - линейные системы;

  - нелинейные системы.

  2.Каждый из этих основных классов делится на:

  - системы с постоянными параметрами;

  - системы с переменными параметрами;

  - системы с распределенными параметрами;

  - системы с запаздыванием и т.д.

  2

• 
  Слайд 4

  Основные понятия ТАУ

  Параметры технологического процесса - это физические величины, определяющие ход технологического процесса (напряжение, сила тока, давление, температура, частота вращения и т.д.).

  Регулируемая величина (параметр) – это величина (параметр) технологического процесса, который необходимо поддерживать постоянным или изменять по заданному закону.

  Объект управления (объект регулирования, ОУ) – устройство, требуемый режим работы которого должен поддерживаться извне специально организованными управляющими воздействиями.

  Управление – формирование управляющих воздействий, обеспечивающих требуемый режим работы ОУ.

  3

• 
  Слайд 5
  

  • Мгновенное значение – это значение регулируемой величины в рассматриваемый момент времени.
  • Измеренное значение – это значение регулируемой величины, полученное в рассматриваемый момент времени с помощью некоторого измерительного прибора.
  • Объект управления (объект регулирования, ОУ) – устройство, требуемый режим работы которого должен поддерживаться извне специально организованными управляющими воздействиями.
  • Управление – формирование управляющих воздействий, обеспечивающих требуемый режим работы ОУ.

  4

• 
  Слайд 6
  

  • Регулирование – это частный вид управления, когда задачей является обеспечение постоянства какой-либо выходной величины ОУ.
  • Автоматическое управление – это управление, осуществляемое без непосредственного участия человека.

  • Входное воздействие(X) – это воздействие, подаваемое на вход системы или устройства.
  • Выходное воздействие(Y) – это воздействие, выдаваемое на выходе системы или устройства.
  • Внешнее воздействие(F)– это воздействие внешней среды на систему.

  5

• 
  Слайд 7
  

  Регулирование – это частный вид управления, когда задачей является обеспечение постоянства какой-либо выходной величины ОУ.

  Типовая структурная схема одноконтурной САУ.

  6

• 
  Слайд 8
  

  • G –задающее воздействие (входное воздействие Х) – воздействие на систему, определяющее заданный закон изменения регулируемой величины).
  • u – управляющее воздействие – воздействие управляющего устройства на объект управления.
  • УУ – управляющее устройство – устройство, осуществляющее воздействие на объект управления с целью обеспечения требуемого режима работы.
  • F – возмущающее воздействие – воздействие, стремящееся нарушить требуемую функциональную связь между задающим воздействием и регулируемой величиной.
  • ε –ошибка управления (ε = х – у), разность между заданным (х) и действительным (у) значениями регулируемой величины.

  7

• 
  Слайд 9
  

  • Р – регулятор, это комплекс устройств, присоединяемых к регулируемому объекту и обеспечивающих автоматическое поддержание заданного значения его регулируемой величины или автоматическое изменение ее по заданному закону.
  • САР – система автоматического регулирования, это система с замкнутой цепью воздействия, в котором управление u вырабатывается в результате сравнения истинного значения у с заданным значением х.
  • Дополнительная связь в структурной схеме САР , направленная от выхода к входу рассматриваемого участка цепи воздействий, называется обратной связью (ОС). Обратная связь может быть отрицательной или положительной.

  8

• 
  Слайд 10

  Классификация САР

  1. По назначению (по характеру изменения задания):

  - стабилизирующая САР, это система, алгоритм функционирования которой содержит задание поддерживать регулируемую величину на постоянном значении (x = const);

  - программная САР, это система, алгоритм функционирования которой содержит задание изменять регулируемую величину в соответствии с заранее заданной функцией (x изменяется программно);

  - следящая САР, это система, алгоритм функционирования которой содержит задание изменять регулируемую величину в зависимости от заранее неизвестной величины на входе САР (x = var).

  9

• 
  Слайд 11
  

  2. По количеству контуров:

  - одноконтурные - содержащие один контур,

  - многоконтурные - содержащие несколько контуров.

  3. По числу регулируемых величин:

  - одномерные - системы с 1 регулируемой величиной,

  - многомерные - системы с несколькими регулируемыми величинами.

  Многомерные САР в свою очередь подразделяются на системы:

  а) несвязанного регулирования, в которых регуляторы непосредственно не связаны и могут взаимодействовать только через общий для них объект управления;

  б) связанного регулирования, в которых регуляторы различных параметров одного и того же технологического процесса связаны между собой вне объекта регулирования.

  10

• 
  Слайд 12
  

  4. По функциональному назначению:

  - температуры;

  - давления;

  - расхода;

  - уровня;

  - напряжения и т.д.

  5. По характеру используемых для управления сигналов:

  - непрерывные,

  - дискретные (релейные, импульсные, цифровые).

  6. По характеру математических соотношений:

  - линейные, для которых справедлив принцип суперпозиции;

  - нелинейные.

  11

• 
  Слайд 13
  

  Принцип суперпозиции (наложения): Если на вход объекта подается несколько входных воздействий, то реакция объекта на сумму входных воздействий равна сумме реакций объекта на каждое воздействие в отдельности.

  7. По виду используемой для регулирования энергии:

  - пневматические,

  - гидравлические,

  - электрические,

  - механические и др.

  8. По принципу регулирования:

  - по отклонению;

  - по возмущению;

  - комбинированные – объединяют в себе особенности предыдущих САР.

  12

• 
  Слайд 14

  Классификация элементов САР

  1. По функциональному назначению:

  - измерительные,

  - усилительно-преобразовательные,

  - исполнительные,

  - корректирующие.

  2. По виду энергии, используемой для работы:

  - электрические,

  - гидравлические,

  - пневматические,

  - механические,

  - комбинированные.

  13

• 
  Слайд 15
  

  3. По наличию или отсутствию вспомогательного источника энергии:

  - активные (с источником энергии),

  - пассивные (без источника).

  4. По характеру математических соотношений:

  - линейные

  - нелинейные.

  14

• 
  Слайд 16
  

  5. По поведению в статическом режиме:

  - статические, это системы в которых имеется однозначная зависимость между входным и выходным воздействиями.

  - астатические , это системы в которых эта зависимость отсутствует. Пример: Зависимость угла поворота ротора электродвигателя от приложенного напряжения. При подаче напряжения угол поворота будет постоянно расти, поэтому однозначной зависимости у него нет.

  15

• 
  Слайд 17

  Характеристики и модели элементов и систем

  Статической характеристикой элемента называется зависимость установившихся значений выходной величины от значения величины на входе системы.

  Статическим называется элемент, у которого при постоянном входном воздействии с течением времени устанавливается постоянная выходная величина. Например, при подаче на вход нагревателя различных значений напряжения он будет нагреваться до соответствующих этим напряжениям значений температуры.

  16

• 
  Слайд 18
  

  Астатическим называется элемент, у которого при постоянном входном воздействии сигнал на выходе непрерывно растет с постоянной скоростью, ускорением и т.д.

  Линейным статическим элементом называется безинерционный элемент, обладающий линейной статической характеристикой.

  17

• 
  Слайд 19
  

  САР называется статической, если при постоянном входном воздействии ошибка управления ε стремится к постоянному значению, зависящему от величины воздействия.

  САР называется астатической, если при постоянном входном воздействии ошибка управления ε стремится к нулю вне зависимости от величины воздействия.

  18

• 
  Слайд 20

  Динамические характеристики

  • Переходной характеристикой h(t) называется реакция объекта на единичное ступенчатое воздействие при нулевых начальных условиях, т.е. при х(0) = 0 и у(0) = 0.
  • Импульсной характеристикой (t) называется реакция объекта на -функцию при нулевых начальных условиях.
  • Частотной характеристикой (ЧХ, АФЧХ и др.) называется зависимость амплитуды и фазы выходного сигнала системы в установившемся режиме при приложении на входе гармонического воздействия.

  19

• 
  Слайд 21

  Дифференциальные уравнения

  Любые процессы передачи, обмена, преобразования энергии и вещества математически можно описать в виде дифференциальных уравнений (ДУ). Любые процессы в САР также принято описывать дифференциальными уравнениями, которые определяют сущность происходящих в системе процессов независимо от ее конструкции и т.д. Решив ДУ, можно найти характер изменения регулируемой переменной в переходных и установившихся режимах при различных воздействиях на систему.

  20

• 
  Слайд 22
  

  модель

  Реальный объект

  • x0
  • у0
  • 0
  • х = х - х0
  • у = у - у0
  • F(х,у) = 0
• 
  Слайд 23

  Преобразования Лапласа

  • Прямое преобразование Лапласа
  • Обратное преобразование Лапласа

  22

• 
  Слайд 24

  Передаточные функции

  Передаточной функцией называется отношение изображения выходного воздействия Y(s) к изображению входного X(s) при нулевых начальных условиях.

  Передаточная функция является дробно-рациональной функцией комплексной переменной:

  23

• 
  Слайд 25

  Типовые звенья САР

  - усилительное

  Передаточная функция

  - идеально интегрирующее

  Передаточная функция

  • Выходная величина
  • Выходная величина

  24

• 
  Слайд 26
  

  - реальное интегрирующее

  Передаточная функция

  - идеально дифференцирующее

  • Передаточная функция
  • Выходная величина

  25

• 
  Слайд 27
  

  - реальноедифференцирующее

  Передаточная функция

  - апериодическое

  Передаточная функция

  Дифференциальное уравнение

  26

• 
  Слайд 28
  

  - колебательное

  Передаточная функция

  - запаздывающее

  Передаточная функция

  • Дифференциальное уравнение
  • Выходная величина

  27

• 
  Слайд 29

  Соединения звеньев

  Последовательное соединение

  28

• 
  Слайд 30
  

  Параллельное соединение

  29

• 
  Слайд 31
  

  Обратная связь

  «+» соответствует отрицательной ОС

  «-» - положительной.

  30

• 
  Слайд 32

  Передаточные функции САР

  1) Для нахождения передаточной функции CAP в разомкнутом состоянии необходимо разомкнуть систему путем отбрасывания входного сумматора.Возмущающее воздействие F приравнивается нулю. Система звеньев между точками разрыва образует разомкнутую систему.

  2) Передаточная функция замкнутой системы по задающему воздействию находится как отношение изображений выходного сигнала к изображению входного (задающего), с применением принципа суперпозиции, т.е. принимается, что возмущающий фактор отсутствует F(t)=0.

  3) Передаточная функция замкнутой системы по возмущающему фактору записывается с применением принципа суперпозиции, т.е. принимаем, что входное воздействие отсутствует .

  31

• 
  Слайд 33

  Ошибка системы

  32

• 
  Слайд 34

  Коэффициенты ошибок

  33

• 
  Слайд 35
  

  Коэффициент С0принято называть коэффициентом статической или позиционной ошибки; коэффициент С1 - коэффициентом скоростной ошибки; С2 - коэффициентом ошибки от ускорения.

  34

• 
  Слайд 36
  

  35

• 
  Слайд 37

  Критерий устойчивости Михайлова

  Характеристический полином

  36

• 
  Слайд 38
  

  При изменении частоты ω вектор D(jω), изменяясь по величине и направлению, будет описывать своим концом в комплексной плоскости некоторую кривую, называемую кривой (годографом) Михайлова. Если же значение частоты ω менять непрерывно от нуля до бесконечности, то вектор будет изменяться по величине и по направлению, описывая своим концом некоторую кривую (годограф), которая называется кривой Михайлова.

  37

• 
  Слайд 39
  

  38

• 
  Слайд 40
  

  Для того чтобы система автоматического управления была устойчива , необходимо и достаточно , чтобы вектор кривой Михайлова D(jω) при изменении ω от 0 до ∞ повернулся , нигде не обращаясь в ноль , вокруг начала координат против часовой стрелки на угол πn/2, где n-порядок характеристического уравнения.

  Для то чтобы система автоматического управления была устойчива, необходимо и достаточно, чтобы кривая (годограф) Михайлова при изменении частоты ω от 0 до ∞, начинаясь при ω =0 на вещественной положительной полуоси, обходила только против часовой стрелки последовательно квадрантов координатной плоскости, где - порядок характеристического уравнения.

  39

• 
  Слайд 41
  

  Кривые Михайлова

  40

• 
  Слайд 42

  Критерий устойчивости Найквиста

  Критерий позволяет по амплитудно-фазовой частотной характеристике разомкнутой системы W(j ω) судить об устойчивости замкнутой системы.

  Для того чтобы замкнутая САУ была устойчива, необходимо и достаточно, чтобы при изменении частоты ω от 0 до ∞ вектор, начало которого находится в точке (-1, j0), а конец на амплитудно-фазовой частотной характеристике разомкнутой системы W(j ω),повернулся бы в положительном направлении (против часовой стрелки) на угол πk, где k- число правых корней характеристического уравнения разомкнутой системы, т.е. чтобы характеристика W(j ω) охватила точку (-1, j0) в положительном направлении k/2 раз.

  41

• 
  Слайд 43
  

  Если k = 0 частотная характеристика не охватывает точку (-1,j0) , то система устойчива и формулировка критерия устойчивости Найквиста упрощается.

  Если разомкнутая система устойчива, то для того чтобы замкнутая САУ была устойчива, необходимо и достаточно, чтобы амплитудно-фазовая частотная характеристика разомкнутой системы W(j ω) при изменении ω от 0 до ∞ не охватывала точку (-1, j0).

  42

• 
  Слайд 44
  

  Амплитудно-фазовая характеристика разомкнутой системы

  43

• 
  Слайд 45
  

  Амплитудно-фазовые характеристики разомкнутой системы

  44

• 
  Слайд 46
  

  Логарифмические характеристики разомкнутой системы

  45

• 
  Слайд 47

  Критерий устойчивости Гурвица

  Для устойчивой системы необходимо и достаточно, чтобы определитель и все главные диагональные миноры матрицы были больше нуля.

  Если хотя бы один определитель будет равен нулю, то система будет находится на границе устойчивости.

  46

• 
  Слайд 48

  Запасы устойчивости системы

  Годограф W(j ω)

  47

• 
  Слайд 49

  Показатели качества

  1) прямые - определяемые непосредственно по кривой переходного процесса,

  2) корневые - определяемые по корням характеристического полинома,

  3) частотные - по частотным характеристикам,

  4) интегральные - получаемые путем интегрирования функций.

  48

• 
  Слайд 50

  Оценки качества переходной характеристики

  • Формула Хевисайда
  • Перерегулирование

  49

• 
  Слайд 51
  

  • Формула Хевисайда
  • Перерегулирование

  50

• 
  Слайд 52
  

  Переходная характеристика

  51

• 
  Слайд 53
  

  Степень затухания

  Статическая ошибка εст = х - xуст

  Время регулирования(время переходного процесса)TП определяется следующим образом: Находится допустимое отклонение  = 5% xуст и строятся асимптоты ± Время TП соответствует последней точке пересечения x(t) с данной границей. То есть время, когда колебания регулируемой величины перестают превышать 5 % от установившегося значения.

  52

• 
  Слайд 54

  Корневые показатели качества

  • Степень устойчивости
  • Степень колебательности

  53

• 
  Слайд 55

  Типы регуляторов

  1) П-регулятор (пропорциональный регулятор) W(s) = K

  2) И-регулятор (интегрирующий регулятор)

  3) Д-регулятор (дифференцирующий регулятор) W(s) = Ks.

  4) ПИ-регулятор (пропорционально-интегральный регулятор)

  54

• 
  Слайд 56
  

  5) ПД-регулятор (пропорционально-дифференциальный регулятор)

  55

• 
  Слайд 57
  

  6) ПИД-регулятор (пропорционально-интегро- дифференциальный регулятор)

  56