Вопросы к экзаменационным билетам
1. Понятие об автоматическом и автоматизированном управлении. Понятие
ОУ, УУ, САУ, управляющего воздействия на систему и объект, возмущающего воздействия.
Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП) — группа решений технических и программных средств, предназначенных для автоматизации управления технологическим оборудованием на промышленных предприятиях. Может иметь связь с более общей автоматизированной системой управления предприятием (АСУП). Объект управления (ОУ) – устройство (система), осуществляющее технический процесс и нуждающееся в специально организованных воздействиях извне для осуществления его алгоритма функционирования. Объектами управления являются, например, как отдельные устройства электрической системы (турбогенераторы, силовые преобразователи электрической энергии, нагрузки), так и электрическая система в целом. Устройство управления (УУ) – устройство, осуществляющее в соответствии с алгоритмом управления воздействие на объект управления. Примерами устройств управления являются автоматический регулятор возбуждения (АРВ) и автоматический регулятор частоты вращения (АРЧВ) синхронного генератора. Автоматическая система управления (АСУ) – совокупность взаимодействующих между собой объекта управления и устройства управления. Таковой, например, является автоматическая система возбуждения синхронного генератора, содержащаявзаимодействующие между собой АРВ и собственно синхронный генератор. y(t) – управляющее воздействие. Управляющее воздействие вырабатывается в управляющем устройстве в соответствии с алгоритмом управления в зависимости от истинного и предписанного значений управляемой величины. Алгоритм управления (алгоритм функционирования управляющего устройства) – зависимость управляющего воздействия от задающего воздействия, управляемой величины и дополнительного возмущающего воздействия. Для одномерной АСУ алгоритм управления можно записать следующим образом: y(t) = Ау xз(t), x(t), zд(t).
2. Виды систем автоматики.
1) стабилизирующие; 2) программные; 3) следящие.
Стабилизирующая АСУ – система, алгоритм функционирования которой содержит предписание поддерживать значение управляемой величины постоянным:
x(t) xз = const. (1.11)
Знак означает, что управляемая величина поддерживается на заданном уровне с некоторой ошибкой.
Стабилизирующие АСУ самые распространенные в промышленной автоматике. Их применяют для стабилизации различных физических величин, характеризующих состояние технологических объектов. Примером стабилизирующей АСУ является система регулирования возбуждения синхронного генератора.
Программная АСУ – система, алгоритм функционирования которой содержит предписание изменять управляемую величину в соответствии с заранее заданной функцией времени:
x(t) xз(t) = fп(t). (1.12)
Примером программной АСУ является система управления активной мощностью нагрузки синхронного генератора на электрической станции в течение суток. Управляемой величиной в системе служит активная мощность нагрузки Р генератора. Закон изменения задания активной мощности Рз (задающего воздействия) определен как функция времени t в течение суток.
Следящая АСУ – система, алгоритм функционирования которой содержит предписание изменять управляемую величину в соответствии с заранее неизвестной функцией времени:
x(t) xз(t) = fс(t). (1.13)
Примером следящей АСУ является система управления активной мощностью нагрузки синхронного генератора на электрической станции в течение суток. Управляемой величиной в системе служит активная мощность нагрузки Р генератора. Закон изменения задания активной мощности Рз (задающего воздействия) определяется, например, диспетчером энергосистемы и имеет неопределенный характер в течение суток. В стабилизирующих, программных и следящих АСУ цель управления заключается в обеспечении равенства или близости управляемой величины x(t) к ее заданному значению xз(t). Такое управление, осуществляемое с целью поддержания называется регулированием.
x(t) xз(t), (1.14)
Управляющее устройство, осуществляющее регулирование, называется регулятором, а сама система – системой регулирования.
По степени зависимости управляемой величины в установившемся режиме от величины возмущающего воздействия АСУ делят на:
1) статические;
2) астатические.
Статическая АСУ – АСУ, в которой имеется зависимость управляемой величины в установившемся режиме от величины возмущающего воздействия.
Астатическая АСУ – АСУ, в которой отсутствует зависимость управляемой величины в установившемся режиме от величины возмущающего воздействия.
По виду дифференциальных уравнений, описывающих элементы АСУ они делятся на:
1) линейные;
2) нелинейные.
Линейные АСУ – АСУ, все элементы которых описываются линейными дифференциальными и/или алгебраическими уравнениями.
Нелинейные АСУ – АСУ, хотя бы один элемент которой описывается нелинейными дифференциальными и/или алгебраическими уравнениями.
В зависимости от принадлежности источника энергии, при помощи которого создается управляющее воздействие, различают АСУ:
1) прямого действия;
2) непрямого действия.
АСУ прямого действия – АСУ, в которой управляющее воздействие создается при помощи энергии объекта управления.
К ним относятся простейшие системы стабилизации (уровня, расхода, давления и т. п.), в которых воспринимающий элемент через рычажную систему непосредственно действует на исполнительный орган (заслонку, клапан и т. д.).
АСУ непрямого действия – АСУ, в которой управляющее воздействие создается за счет энергии дополнительного источника.
В зависимости от способа выработки управляющего воздействия замкнутые АСУ разделяют на:
1) беспоисковые;
2) поисковые.
Беспоисковая АСУ – АСУ, в которой управляющее воздействие вырабатывается в результате сравнения истинного значения управляемой величины с заданным значением.
Такие системы применяют для управления сравнительно несложными объектами, характеристики которых достаточно хорошо изучены и для которых заранее известно в каком направлении и на сколько нужно изменить управляющее воздействие при определенном отклонении управляемой величины от заданного значения. Таковой, например, является рассмотренная ранее АСУ возбуждением синхронного генератора (рис. 1.2).
Поисковая АСУ – АСУ, в которой управляющее воздействие формируется с помощью пробных управляющих воздействий и путем анализа результатов этих пробных воздействий.
Такую процедуру поиска правильного управляющего воздействия приходится применять в тех случаях, когда характеристики объекта управления меняются или известны не полностью; например, известен вид зависимости управляемой величины от управляющего воздействия, но неизвестны числовые значения параметров этой зависимости. Поэтому поисковые системы называют еще системами с неполной информацией.
Наиболее часто принцип автоматического поиска управляющих воздействий применяют для управления объектами, характеристики которых имеют экстремальный характер. Целью управления является отыскание и поддержание управляющих воздействий, соответствующих экстремальному значению управляемой величины. Такие поисковые системы называют экстремальными (оптимальными) системами.
По такому принципу можно, например, строить АСУ режимом тепловой электрической станции в условиях нестабильности теплотворной способности топлива, температуры охлаждающей воды, режима нагрузки и т.д. с целью обеспечения минимума затрат на производство тепловой и электрической энергии.
Особый класс АСУ образуют системы, которые способны автоматически приспосабливаться к изменению внешних условий и свойств объекта управления, обеспечивая при этом необходимое качество управления путем изменения структуры и параметров управляющего устройства. Они называются адаптивными (самоприспосабливающимися) системами. В составе адаптивной АСУ имеется дополнительное автоматическое устройство, которое меняет алгоритм управления основного управляющего устройства таким образом, чтобы АСУ в целом осуществляла заданный алгоритм функционирования. Алгоритм функционирования адаптивной АСУ предписывает обычно максимизацию показателя качества, который характеризует либо свойства процесса управления в АСУ в целом
(быстродействие, точность и т.д.), либо свойства процессов, протекающих в объекте управления (производительность, достижение наивысшего коэффициента полезного действия, минимизация затрат и т. д.). Поэтому адаптивные АСУ являются, как правило, еще и оптимальными.
По некоторым дополнительным признакам АСУ классифицируются следующим образом.
В зависимости от вида сигналов, действующих в системах, АСУ разделяют на:
1) непрерывные;
2) дискретные.
Непрерывная АСУ – АСУ, в которой действуют непрерывные (аналоговые), определенные в каждый момент времени сигналы.
Дискретная АСУ - АСУ, в которой действует хотя бы один дискретный, определенный только в некоторые моменты времени сигнал.
К дискретным АСУ относятся, например, АСУ, имеющие в своем составе цифровые вычислительные устройства: микропроцессоры, контроллеры, электронные вычислительные машины.
3. Особенности и значение автоматизации с.х. производства.
Автоматизация является одним из главных направлений научно-технического прогресса и важным средством повышения эффективности производства. Современное промышленное производство характеризуется ростом масштабов и усложнением технологических процессов, увеличением единичной мощности отдельных агрегатов и установок, применением интенсивных, высокоскоростных режимов работы, близких к критическим, повышением требований к качеству продукции, безопасности персонала, сохранности оборудования и окружающей среды. С/х производство имеет циклический прерывистый характер,
связанный с естественными периодами функционирования животных и растений, и перестроить его на непрерывное не всегда удаётся.
•Основные ТП с/x производства связаны с биологическими процессами, прервать которые нельзя даже временно, поэтому сбои с естественного (биологического) ритма приводят не только к недовыполнению программы, но и к порче живых объектов (животных, растений), к снижению их продуктивности, а иногда и к их гибели.
•Увеличения выхода с/х продукции, как правило, нельзя получить за счет уменьшения времени цикла технологических процессов. Этого можно добиться главным образом за счёт увеличения числа и улучшения качественного состава (породного, сортового) основных средств производства (животных, птиц, растений), а также за счёт улучшения условий содержания животных и качества возделывания растений
4. Понятие функциональной схемы и правила их составления. Функциональная схема — документ, разъясняющий процессы, протекающие в отдельных функциональных цепях изделия (установки) или изделия (установки) в целом.[1] Функциональная схема является экспликацией (поясняющим материалом) отдельных видов процессов, протекающих в целостных функциональных блоках и цепях устройства. На функциональной схеме изображают функциональные части изделия(элементы, устройства и функциональные группы), участвующие в процессе, иллюстрируемой схемой, и связи между этими частями. Функциональные части и связи между ними на схеме изображают в виде условных графических обозначений, установленных в стандартах Единой системы конструкторской документации. Отдельные функциональные части допускается изображать в виде прямоугольников.Графическое построение схемы должно давать наиболее наглядное представление о последовательности процессов, иллюстрируемых схемой.Допускается при выполнении функциональной схемы пользоваться положениями, указанными. На схеме должны быть указаны- для каждой функциональной группы – обозначение, присвоенное ей на принципиальной схеме, и (или) ее наименование; если функциональная группа изображена в виде условного графического обозначения, то ее наименование не указывают;- для каждого устройства, изображенного в виде прямоугольника, - позиционное обозначение, присвоенное ему на принципиальной схеме, его наименование и тип и (или) обозначение документа (основной конструкторский документ, государственный стандарт, технические условия), на основании которого это устройство применено;- для каждого устройства, изображенного в виде условного графического обозначения, - позиционное обозначение, присвоенное ему на принципиальной схеме, и (или) его тип.Обозначение документа, на основании которого применено устройство, и тип элемента допускается не указывать. Наименования, типы и обозначения рекомендуется вписывать в прямоугольники.. На схеме рекомендуется указывать технические характеристики функциональных частей (рядом с графическими обозначениями или на свободном поле схемы). На схеме помещают поясняющие надписи, диаграммы или таблицы, определяющие последовательность процессов во времени, а также указывают параметры в характерных точках (величины токов, напряжений, формы и величины импульсов, математические зависимости и т.п.)
5. Принцип разомкнутого управления. Управление по задающему воздействию.
Разомкнутая АСУ – система, в которой не осуществляется контроль управляемой величины, т.е. входными воздействиями ее управляющего устройства являются только внешние (задающее и возмущающее) воздействия.
Разомкнутые АСУ можно разделить в свою очередь на два типа:
1) осуществляющие управление в соответствии с изменением только задающего воздействия (рис. 1.2, а); 2) осуществляющие управление в соответствии с изменением и задающего и возмущающего воздействий (рис. 1.2, б).
2) Алгоритм управления разомкнутой системы первого типа имеет вид y(t) = Ay xз(t). (1.7)
3) Чаще всего оператор Аy устанавливает пропорциональную связь между задающим воздействием xз(t) и управляющим воздействием y(t), а сама система в этом случае осуществляет программное управление.
Системы первого типа работают с достаточной эффективностью лишь при условии, если влияние возмущений на управляемую величину невелико и все элементы разомкнутой цепи обладают достаточно стабильными характеристиками
6. Принцип разомкнутого управления. Управление по возмущающему воздействию.
В системах управления по возмущению (рис. 1.2, б) управляющее воздействие зависит от возмущающего и задающего воздействий:
y(t) = Ay xз(t), z(t). (1.8)
В большинстве случаев разомкнутые системы управления по возмущению выполняют функции стабилизации управляемой величины.
Преимущество разомкнутых систем управления по возмущению – их быстродействие: они компенсируют влияние возмущения еще до того, как оно проявится на выходе объекта. Но применимы эти системы лишь в том случае, если на управляемую величину действуют одно или два возмущения и есть возможность измерения этих возмущений. Например, сравнительно легко можно измерять температуру, расход воды, ток нагрузки генератора. Поэтому если эти величины действуют на объект как возмущения, то обычно стремятся стабилизировать их при помощи дополнительной системы или ввести в основную систему управления данным объектом сигнал, пропорциональный такому воздействию
7. Принцип замкнутого управления (управление по ошибке).
Замкнутая АСУ (АСУ с обратной связью) – система, в которой входными воздействиями ее управляющего устройства являются как внешнее (задающее), так и внутреннее (контрольное) воздействия.
Управляющее воздействие в замкнутой системе (рис. 1.6, в) формируется в большинстве случаев в зависимости от величины и знака отклонения истинного значения управляемой величины от ее заданного значения:
y(t) = Ay (t), (1.9)
где (t) = xз(t) - x (t) – сигнал ошибки (сигнал рассогласования).
8. Комбинированное управление.
Комбинированная АСУ – система, в которой входными воздействиями ее управляющего устройства являются как внешние (задающее и возмущающее), так и внутреннее (контрольное) воздействия.
В комбинированных системах (рис. 1.2, г) имеется две цепи воздействий – по заданию и по возмущению, и управляющее воздействие формируется согласно оператору
y(t) = Aз (t) + Aв z(t). (1.10)
Эффективность работы комбинированной АСУ всегда больше, чем у порознь функционирующих замкнутой или разомкнутой систем.
9. Понятия алгоритма функционирования и алгоритма (закона) управления. Алгоритм функционирования устройства (системы) – совокупность предписаний, ведущих к правильному выполнению технического процесса в каком-либо устройстве или в совокупности устройств (системе). 10. Классификация САУ с информационной точки зрения. Алгоритм управления – совокупность предписаний, определяющая характер воздействий извне на объект управления, обеспечивающих его алгоритм функционирования.
11. Понятие анализа и синтеза САУ. Все математические задачи, решаемые в теории автоматического управления, можно объединить в два больших класса – задачи анализа и задачи синтеза автоматических систем.В задачах анализа полностью известна структура системы, заданы все (как правило) параметры системы, и требуется оценить какое-либо ее статистическое или динамическое свойство. К задачам анализа относятся расчет точности в установившихся режимах, определение устойчивости, оценка качества системы.Задачи синтеза можно рассматривать как обратные задачам анализа: в них требуется определить структуру и параметры системы по заданным показателям качества. Простейшими задачами синтеза являются, например, задачи определения передаточного коэффициента разомкнутого контура по заданной ошибке или условию минимума интегральной оценки.Под синтезом линейных САУ понимается выбор такой структурной схемы, ее параметров, характеристик, которые отвечают с одной стороны заданным показателям качества и простоты технической реализации и надежности с другой стороны.
12. Общие принципы математического описания систем: нелинейные и линейные системы; принцип суперпозиции; понятие звена; понятие структурной схемы и общие правила их составления.
13. Идентификация объектов. Идентификацияобъекта [object identification] — 1. Определение характеристик объекта и выявлениеприложенных к нему воздействий с помощью наблюдения за его входами и выходами и статистическойобработки полученных данных. Иными словами, И.о. означает отождествление ему как оригиналу некоторой модели. Таково наиболее общее определение, относящееся к системам разного рода (техническим, экономическим и др.).
Проблема идентификации особо исследуется в эконометрике, где произошла, по-видимому, терминологическая инверсия: принято говорить не об И.о., т.е. рассматриваемой экономической системы, анаоборот, об идентификации модели (причем, обычно модели, построенной в виде так называемой системыодновременных уравнений). Более того, ряд авторов относит этот термин к отдельному элементу модели, понимая под этим установление самого факта, что данный элемент является существенным (см. Существенные переменные ). Например, некоторая экзогенная переменная идентифицируется какдействительно оказывающая существенное воздействие на ту или иную эндогенную переменную.
14. Математическое описание линейных систем дифференциальными
уравнениями и передаточными функциями. Исходным математическим описанием (МО) системы часто является совокупность уравнений описывающих элементы системы и связи между ними.В теории АУ используется понятие звена, под которым понимают какой-либо физический элемент системы, либо формально выделенную часть её математической модели, для которой указаны входные и выходная величина. Звено преобразует входные переменные в выходную переменную.(ДС) – динамическая система определена как математический объект, для которого указаны входные и выходные переменные и существует однонаправленная причинно-следственная связь, это означает, что:
-
выход (следствие) не может появиться раньше 
(причина). - Текущие значения
не зависят от будущих. - не могут быть изменены в последующей динамической системе.
Математическое описание (ДС) в виде связи входных и выходных переменных называется моделью “вхож выход”. К этим моделям относятся:
- Передаточные функции
- Операторная передаточная функция
- Коэффициент передачи
- Частотные характеристики
- Временные характеристики:
- Переходная
- Весовая функция
- Дифференциальное уравнение
15. Линеаризация непрерывных дифференциальных нелинейных характеристик.
Реальные САУ имеют в своем составе нелинейные элементы. В некоторых САУ нелинейность носит существенный характер и замена ее линейной зависимостью коренным образом изменяет поведение САУ. Однако в большинстве случаев нелинейность является несущественной и оказывается возможным произвести замену исходных нелинейных уравнений системы линейными, не внося существенных погрешностей. Это позволяет значительно упростить задачу исследования свойств данной САУ.
Под линеаризацией понимается замена нелинейных дифференциальных уравнений линейными уравнениями, которые с достаточной для практики точностью описывают физические процессы в САУ. Признаком, позволяющим произвести линеаризацию уравнений с математической точки зрения, является отсутствие разрывных, неоднозначных или резко изменяющихся характеристик, определяющих зависимость переменных уравнений от различных факторов, т.е. существование производных функций по всем переменным. Физической предпосылкой линеаризации является малая величина отклонений переменных в уравнениях элементов от их установившихся значений в силу самого принципа работы замкнутой автоматической системы, в состав которой эти элементы входят.
Сущность линеаризации в том, что все нелинейные функции одной или нескольких переменных, входящих в уравнение элемента, разлагают в ряд Тейлора в окрестности точки, соответствующей установившемуся режиму, по степеням отклонений. Так, формула Тейлора для нелинейной функции двух переменных x и y имеет следующий вид:
(3.3)
где 
- установившиеся значения переменных;
- отклонения переменных от ;
- текущие значения переменных;
- остаточный член.
16. Понятие установившихся и переходных режимов работы систем. Статические характеристики систем (звеньев). (Общие понятия). При приложении воздействия к какому либо объекту (элементу или системе автоматики) из-за инерционности объекта возникает переходный процесс, который через некоторое время заканчивается. После окончания переходного процесса объект работает в режиме, который называется установившимся. Например, если на электродвигатель подать напряжение питания, то после его разгона (переходного процесса) установится определенная частота wд вращения его вала (установившийся режим) (рис. 2.8.1).Установившиеся режимы бывают 2-х типов: статические и динамические. Если после окончания переходного процесса выходная величина объекта остается постоянной при постоянном воздействии, то такой установившийся режим является статическим.
|
Рис. 2.8.1 Переходный процесс и установившийся режим работы электродвигателя после подачи на него напряжения питания
Статической характеристикой называется зависимость между постоянным входным воздействием и постоянной выходной величиной объекта в установившемся режиме (после окончания переходного процесса). Например, для электродвигателя постоянного тока статическая характеристика представляет собой зависимость между напряжением U я, подаваемым на якорь, и выходной величиной ¾ частотой wд вращения ротора (рис. 2.8.2).
|
Рис. 2.8.2 Статическая характеристика электродвигателя и поясняющая схема
Динамические установившиеся режимы могут возникать при постоянном воздействии на объект и воздействии, изменение которого носит установившийся характер.
Примерами установившихся динамических режимов при постоянных воздействиях являются автоколебания, возникающие в нелинейных системах. Примером установившихся динамических режимов при установившемся воздействии является реакция линейного звена или линейной системы на гармоническое входное воздействие (см. частотные характеристики линейных систем и звеньев) и т. д.
Типовые воздействия. Временные (переходные) и частотные