Структурная схема системы управления: Энергетическое образование

5. Структурные схемы систем автоматического управления

5.1. Элементы структурных схем

Структурной схемой называют схему, составленную из элементов, каждый из которых совершает математическую операцию преобразования входного сигнала в выходной. Элементы структурной схемы не обязательно должны совпадать с конструктивным выполнением реальных устройств.

Основные элементы структурных схем.

.

(5.1)

Рисунок 5.1 — Элемент преобразования (стрелкой показано направление передачи сигнала)

• Узел сравнения:

.

(5.2)

Рисунок 5.2 — Узел сравнения.

• Суммирующий узел:

.

(5.3)

Рисунок 5.3 — Узел суммирования.

• Узел разветвления:

Рисунок 5.4 — Узел разветвления

5.2. Преобразование структурных схем

При анализе и синтезе систем автоматического управления очень часто цепи последовательного и параллельного соединения звеньев преобразовывают в одно звено, которое имеет эквивалентную передаточную функцию сложной схемы соединения звеньев. Для этого существуют правила преобразования структурных схем.

5.2.1. Последовательное соединение звеньев

Рисунок 5.5 — Цепь последовательно соединенных звеньев.

При таком объединении выходные сигналы определяются:

,	(5.4)
,	(5. 5)
.	(5.6)

Если исключить промежуточные переменные, получим:

.

(5.7)

Таким образом, эквивалентная передаточная функция цепочки последовательно соединенных звеньев равняется произведению передаточных функций этих звеньев.

5.2.2. Параллельное соединение звеньев

Рисунок 5.6 — Цепь параллельно соединенных звеньев

При параллельном соединении звеньев эквивалентная передаточная функция равняется сумме передаточных функций, входящих в эти звенья:

,	(5.8)
,	(5. 9)
………………………
.	(5.10)

Если исключить промежуточные сменные, получим:

.

(5.11)

Таким образом, эквивалентная передаточная функция цепочки параллельно соединенных звеньев равняется сумме передаточных функций этих звеньев.

5.2.3. Звено, охваченное отрицательной обратной связью

Рисунок 5.7 — Звено, охваченное отрицательной обратной связью

Для определения выходного сигналазапишем систему уравнений:

,	(5.12)
,	(5. 13)
.	(5.14)

Исключив промежуточные сменные, получим эквивалентную передаточную функцию:

.

(5.15)

Цепь звеньев от входа до выхода системы называется прямым каналом регулирования.

Цепь звеньев от выхода до входа в обратном направлении называется обратной связью.

Разомкнутый контур регулирования — контур, в котором последовательно соединены звенья, которые находятся в прямом канале регулирования и в канале обратной связи (рис. 5.8).

Рисунок 5.8 — Разомкнутый контур регулирования

Если сигнал задания суммируется с сигналом обратной связи, то такая связь называется положительной, если из сигнала задания вычитается сигнал обратной связи, то такая связь называется отрицательной.

Правило преобразования:

Эквивалентная передаточная функция замкнутой системы записывается как дробь: в числителе дроби находится перемножение передаточных функций прямого канала регулирования, в знаменателе дроби — единица плюс (минус) перемножения передаточных функций разомкнутого контура.

2. Функциональная схема. Основные элементы систем управления

При реализации всех шагов алгоритма с помощью технических средств получают систему автоматического регулирования. Системы управления представляются в виде функциональных и структурных схем. Функциональная схема системы управления включает технологическую схему управляемого процессу с нанесенными элементами системы управления и связями между ними. Функциональная схема возможной системы управления температурой воды на выходе смесителя приведена на рисунке 3.

Система автоматического управления включает следующие элементы (рис. 3).

1. Объект управления – управляемый процесс, который характеризуется своими закономерностями и рядом входных и выходных переменных.

2. Задатчик Зад – устройство для формирования заданного значения регулируемой переменной.

3. Датчик Д – устройство для измерения текущего значения регулируемой переменной.

4. Элемент сравнения ЭС – устройство для определения отклонения регулируемой переменной от заданного значения.

5. Управляющее устройство УУ – вычислительной устройство, определяющее по изменению ошибки во времени значения управляющего воздействия, включающие при необходимости наблюдатели, фильтры, прогнозирующие и другие корректирующие устройства.

6. Исполнительный механизм ИМ – устройство, обеспечивающее передачу управляющего воздействия на регулирующий орган.

7. Регулирующий орган кран К2 — устройство, непосредственно изменяющее значение регулирующего параметра.

Названные элементы систем управления являются обязательными элементами систем управления с отрицательной обратной связью. Кроме них в системах управления могут быть дополнительные элементы.

8. Усилитель – устройство для согласования сигналов по уровню сигнала, по мощности.

9. Преобразователь- устройство для преобразования сигналов одного вида энергии в другой с целью согласования работы различных по виду используемой энергии элементов системы.

и другие элементы для обеспечения работоспособности системы.

Все элементы системы работают по своим закономерностям, определяемым заложенным.

Каждый элемент имеет вход и выход (входов и выходов может быть несколько). Они связаны закономерностями, определяемыми физическими принципами работы элементов и их конструкцией. В смысле зависимости выходных сигналов от входных говорят, что элементы системы управления производят преобразование сигналов. Для анализа закономерностей работы элементов системы и преобразования сигналов используют структурные схемы.

На структурных схемах элементы системы изображают в виде прямоугольников, а передача информации между элементами изображается в виде линий связи между ними. В прямоугольниках элементов системы показывают математические закономерности преобразования входного сигнала в выходной. Сигналы между элементами в свою очередь характеризуются своими закономерностями, в том числе, временными и спектральными характеристиками.

На структурной схеме также показывают элементы и точки схемы, к которым прикладываются внешние воздействия – задающее воздействие, возмущающие воздействия (их может быть несколько), ошибки элементов при измерении и преобразовании сигналов в виде случайных процессов. Выходными сигналами структурной схемы (системы управления) являются регулируемая переменная, ошибка регулирования.

Структурная схема рассматриваемой системы регулирования представлена на рис. 4.

На структурной схеме прямоугольниками изображены все рассмотренные выше элементы, а стрелками показаны сигналы, действующие в системе:

1. Регулируемая переменная – выходная величина объекта управления, управление которой является целью работы системы управления.

2. Регулируемая переменная, выраженная в выходном сигнале датчика

3. Задающее воздействие – значение, на котором должна находится регулируемая переменная.

4. Ошибка регулирования — разность между заданным и текущим значениями регулируемой переменной.

5. Управляющее воздействие на выходе управляющего устройства, выраженная в выходном сигнале управляющего устройства и целенаправленно изменяемая в процессе регулирования для компенсации влияния изменения других параметров процесса.

6. Управляющее воздействие , выраженная в входном параметре управляемого процесса.

7. Возмущающие воздействия – входные переменные регулируемого процесса кроме управляющего воздействия, изменения которых приводят к смещению регулируемой переменной относительно заданного значения. Именно отработка влияния возмущающих воздействий, приводящих к изменениям регулируемой переменной, является одной из основных целей создания систем управления. При изменении возмущающего воздействия система управления производит изменение управляющего воздействия, которое уравновешивает влияния изменения возмущающего воздействия, в результате чего регулируемая выходная переменная остается на заданном уровне.

8. Промежуточные переменные, получаемые при преобразовании, усилении сигналов и т.д.

Часто при анализе системы управления управляющее воздействие и регулируемую переменную на самом объекте управления выделить сложно (невозможно), поэтому при анализе исполнительный механизм, объект управления и датчик рассматривают как единый элемент – объект управления. Структурная схема системы управления при этом будет иметь вид, приведенный на рис.

Блок-схема системы управления

— javatpoint

следующий → ← предыдущая Любая система может быть описана набором дифференциальных уравнений или представлена ​​схематической диаграммой, содержащей все компоненты и их связи. Однако эти методы не работают для сложных систем. Представление блок-схемы представляет собой комбинацию этих двух методов. Блок-схема представляет собой представление системы с использованием блоков. Для представления любой системы с помощью блок-схемы необходимо найти передаточную функцию системы, которая представляет собой отношение Лапласа на выходе к Лапласу на входе. Где R(s) = вход C (с) = выход G(s) = передаточная функция Тогда систему можно представить как C(s) = R(s).G(s) Точка суммирования : Когда мы хотим применить другой входной сигнал к тому же блоку, результирующий входной сигнал является суммой всех входов. Сумма входного сигнала представлена ​​перечеркнутым кружком, называемым точкой суммирования, которая показана на рисунке ниже. Точка взлета : Когда имеется более одного блока и мы хотим применить один и тот же ввод ко всем блокам, мы используем точку взлета. При использовании начальной точки одни и те же входные данные распространяются на все блоки, не влияя на его значение. Представление одного и того же входа более чем одному блоку показано на диаграмме ниже. Как нарисовать блок Диаграмма: Рассмотрим простую цепь R-L Применить КВЛ Теперь выполняем преобразование Лапласа уравнений 1 и 2 с нулевым начальным условием Из уравнения 3 и уравнения 4 Из рис.: Теперь делаем преобразование Лапласа уравнения 5 и уравнения 6 Для правой части уравнения 5 мы будем использовать точку суммирования. Здесь выход точки суммирования отдан блоку, а выход блока равен I(s) Теперь выход I(s) передается другому блоку, содержащему элемент SL, и выход этого блока равен V0. Объединив два приведенных выше рисунка, мы получим искомую блок-схему. Система управления с обратной связью Система, в которой есть цепь обратной связи, называется системой управления с обратной связью. В этой системе выходной сигнал поступает в детектор ошибок, а затем сравнивается с входным сигналом. Сигнал обратной связи может быть отрицательным или положительным. За положительный отзыв А для отрицательного отзыва Правила сокращения блок-схемы Правило №1. Блоки в каскаде Когда два или более блоков соединены последовательно , результирующий блок является произведением отдельных блоков. Правило №2 Параллельные блоки Когда два или более блоков соединены параллельно, результирующий блок представляет собой сумму отдельных блоков. Правило №3 Перемещение точки старта перед блоком При перемещении точки взлета перед блоком (перед кадром) в ответвлении точки взлета вводится такая же передаточная функция. Правило №4 Перемещение точки взлета после блока Когда точка взлета перемещается после блока, то в ветви точки взлета вводится блок с обратной передаточной функцией. Правило №5 Вынос точки суммирования за пределы блока Правило №6: Перемещение точки суммирования перед блоком Правило №7: Перестановка двух точек суммирования Правило №8: Перемещение точки взлета за точку суммирования Правило №9: Перемещение точки взлета перед точкой суммирования Правило №10: Устранение прямой петли Пример Найдите передаточную функцию следующего метода блочной редукции. Раствор Шаг 1 : Имеются два внутренних замкнутых контура. Во-первых, мы удалим этот цикл. Шаг 2 : Когда два блока находятся в каскаде или ряду, мы будем использовать правило №1. Шаг 3 : Теперь мы решим этот цикл. Шаг 4 : Следующая темаГрафики потока сигналов ← предыдущая следующий →

Блок-схема системы управления

Мы знаем, что система обычно содержит несколько элементов, которые совместно действуют как единое целое для выполнения определенной задачи. Мы также обсудили, что в системе управления различные связанные элементы направляют или контролируют себя или любую другую систему, чтобы получить определенный результат.

Включение различных сущностей в систему в виде единого блока делает систему довольно сложной для анализа. Таким образом, представление системы управления в виде блок-схемы используется для простого отображения сложной системы.

В основном блок-схема системы управления наглядно представляет систему. Используя наглядную иллюстрацию, даже очень сложную систему можно упростить для целей анализа.

Блок-схема системы представляет собой не что иное, как взаимосвязь нескольких элементов системы. Эта взаимосвязь с использованием блоков позволяет удобно анализировать систему.

Теперь возникает вопрос, как представление блок-схемы упрощает систему?

Итак, в основном создается блок-схема системы, чтобы можно было применить метод передаточной функции.

Таким образом можно определить передаточную функцию каждого элемента и таким образом можно легко проанализировать систему.

Таким образом, говоря простым языком, мы можем сказать, что блок-схема — это графическое представление системы, в которой различные элементы системы последовательно соединены.

Такое последовательное расположение элементов позволяет легко определить взаимосвязь между причиной и следствием, которая существует между входом и выходом системы.

Мы знаем, что представление блок-схемы разомкнутой и замкнутой системы отличается, поскольку замкнутая система содержит контур обратной связи.

Этот контур обратной связи помогает вернуть часть входного сигнала обратно на вход.

Элементы блок-схемы

Функциональный блок : Функциональный блок представляет элементы или компоненты системы управления.

В основном, в представлении блок-схемы каждый элемент системы управления представлен блоком. Этот блок является функциональным блоком.

Таким образом, мы можем сказать, что конкретный блок представляет собой математическую операцию, выполняемую этим элементом над входными данными для достижения желаемого результата.

Передаточная функция блока показывает математическую функцию элемента, представленного в виде блока.

Точка суммирования : Точка на блок-диаграмме, где сравниваются несколько сигналов, называется точкой суммирования.

Точка взлета : В системе с обратной связью часть выходного сигнала возвращается на вход, который действует как обратная связь для системы. Таким образом, точка отсчета — это точка, из которой часть сигнала берется в качестве обратной связи для системы.

При построении блок-схемы системы управления следует отметить, что взаимосвязь блоков, точек суммирования и точек отбора должна быть выполнена точно так, как элементы присутствуют в практической системе .

Элементы на блок-схеме соединены линиями или ответвлениями. В то время как стрелки представляют направление потока сигнала внутри блока, поскольку сигнал проходит только по однонаправленному пути.

Таким образом, мы можем сказать, что блок-схема является односторонней иллюстрацией системы.

Каноническая форма системы управления

Мы знаем, что в замкнутой системе используется обратная связь, поэтому она считается лучше, чем разомкнутая система.

Представление блок-схемы, в котором есть только один блок прямой и обратной связи, а также одна точка суммирования и точка отбора, является простейшей формой системы управления с обратной связью. Он также известен как каноническая форма замкнутой системы.

На приведенном ниже рисунке показана простая система с обратной связью:

Пример системы управления

Давайте рассмотрим пример, чтобы понять, как практическую систему можно преобразовать в виде блок-схемы.

Предположим, у нас есть система уровня жидкости, как показано ниже, и мы должны представить эту систему в виде блок-схемы с соответствующими блоками для каждого элемента.

Итак, во-первых, мы должны определить общие элементы, присутствующие в системе. Как мы видим, приведенная выше система содержит контроллер, клапан, резервуар для воды и поплавок.

Принцип работы этой системы заключается в том, что вода из выпускного отверстия поступает в бак. Однако присутствует клапан, который может запускать или останавливать поток воды внутри бака. Этот клапан управляется контроллером. Кроме того, в систему встроен поплавок, который определяет уровень воды.

Обычно контроллер генерирует сигнал о том, когда открывать или закрывать клапан резервуара. Но для этого контроллеру тоже нужно знать, что когда требуется открывать или закрывать.

Итак, положение поплавка, присутствующего в системе, информирует контроллер об уровне воды в баке.

Допустим, уровень воды в баке ниже уровня, заданного контроллером. Таким образом, положение поплавка внутри резервуара уведомляет контроллер о том, что клапан должен быть открыт, чтобы вода могла течь внутрь резервуара.

При достижении заданного уровня контроллер генерирует сигнал и клапан закрывается. Закрытие клапана автоматически остановит любой дальнейший поток воды внутрь бака до получения следующей команды.

Как мы видим, в баке есть выпускное отверстие, через которое вода выходит из бака. Таким образом, если вода вытекает из этого выхода, то положение поплавка автоматически сообщит контроллеру, что уровень воды снова снизился по сравнению с желаемым уровнем.

Итак, контроллер далее посылает сигнал на повторное открытие клапана и запуск потока жидкости внутрь бака. При этом контроллер постоянно отслеживает положение поплавка внутри бака и соответственно посылает сигнал на клапан.

Таким образом, из этого обсуждения мы можем сказать, что поплавок действует как обратная связь этой системы контроля уровня воды, а резервуар здесь является процессом, которым должен управлять контроллер.

Поэтому представим эти элементы в виде блок-схемы:

Итак, здесь на приведенном выше рисунке показаны точка суммирования, функциональные блоки и точка взлета рассмотренной выше системы управления.

Эта блок-схема создана просто для того, чтобы объяснить вам, как работает система и какова роль обратной связи в системе.