ПР1. Анализ функциональной схемы

Практическая работа 1 по ТАУ для специальности ТМС
Анализ функциональной схемы системы управления
Данная работа является первой из комплекса практических работ по анализу
и синтезу систем автоматического регулирования машиностроительных процессов. Работа заключается в освоении навыков анализа функциональных схем.
На основании общих закономерностей работы систем управления по функциональной схеме системы управления выявляются все основные и дополнительные элементы системы, сигналы, действующие в системе, входные, выходные
воздействия. На основании этого устанавливается принцип работы системы.
1. Постановка задачи. Изучить функциональную схему системы управления,
выявить все элементы и сигналы, действующие в системе, описать работу системы.
2. Основы работы систем управления с отрицательной обратной связью.
Алгоритм работы системы с отрицательной обратной связью содержит следующие операции, которые выполняются циклически.
1. Задать заданное значение управляемой переменной g.
2. Измерить текущее значение управляемой переменной x.
3. Определить ошибку управления e  g  x .
4. По полученной ошибке определить величину управляющего воздействия
u  f (e ) .
5. Подать полученное управляющее воздействие на объект управления.
6.
Учесть динамику объекта управления, для этого выждать время, необходи-
мое для изменения выходного управляемого параметра под действием нового
значения управляющего значения.
7. При постоянном значении задания вернуться к пункту 2, при изменении задания к пункту 1 и повторить цикл операций.
Данный алгоритм управления можно представить в виде структурной схемы
(рис. 2). Обратим внимание, что объект управления имеет, как минимум, 2 входа:
возмущающее воздействие и управляющее воздействие и один выход – управляе1
мый параметр. Повторение цикла операций необходимо по двум причинам. Вопервых, на начальной стадии процесса регулирования, возможно, потребуется
несколько циклов подбора необходимого значения регулирующего воздействия
для вывода регулируемой переменной на заданное значение. Во-вторых, после
(или в процессе) вывода параметра на заданное значение возможно влияние возf
g
Задатчик
Расчет отклонения
текущего значения
от заданного
е
Расчет величины
управляющего
воздействия
u1 Изменение
управляющего
воздействия
на объекте
u2
Изменение состояния
объекта управления под
действием управляющего воздействия
Измерение
регулируемого
параметра
x
x
Рис. 1. Структурная схема процесса управления с отрицательной обратной связью.
мущающих воздействий (изменение других параметров объекта управления),
приводящих к отклонению регулируемой величины от заданного значения при
установленном значении управляющего воздействия и потребуются новые циклы
для корректировки управляющего значения и возврата регулируемой величины
на заданное значение.
Элементы систем управления. Для реализации алгоритма управления
нужны следующие элементы системы управления.
1. Задатчик заданного значения.
2. Датчик для измерения регулируемой переменной на выходе
объекта управления.
3. Элемент сравнения для расчета ошибки управления.
4. Управляющее устройство для расчета значения управляющего воздействия
при текущем значении ошибки управления.
5. Исполнительный механизм для изменения на объекте управления параметра,
используемого в качестве управляющего воздействия.
6. Объект управления, имеющий, как минимум, два входа – управляющее и возмущающее воздействия и один выход – регулируемая величина.
2
Кроме данных обязательных элементов в системе управления могут быть дополнительные элементы- преобразователи, усилители и другие элементы для согласования элементов системы по виду энергии, мощности сигналов и т.д.
Основные понятия и термины систем управления.
Элементы систем управления
1. Объект управления – управляемый процесс, который характеризуется своими
закономерностями и рядом входных и выходных переменных.
2. Задатчик – устройство для формирования заданного значения регулируемой
переменной.
3. Датчик – устройство для измерения регулируемой переменной.
4. Элемент сравнения – устройство для определения отклонения регулируемой
переменной от заданного значения.
5. Управляющее устройство – вычислительной устройство, определяющее по
изменению ошибки во времени значение управляющего воздействия, включающее при необходимости наблюдатели, фильтры, прогнозирующие и другие корректирующие устройства.
6. Исполнительный механизм – устройство, обеспечивающее передачу управляющего воздействия на регулирующий орган.
7. Регулирующий орган – устройство, непосредственно изменяющее значение
регулирующего параметра.
8. Усилитель – устройство для согласования каналов передачи информации по
уровню сигнала, мощности.
9. Преобразователь- устройство для преобразования сигналов одного вида
энергии в другой с целью согласования работы различных по виду используемой
энергии элементов системы.
Сигналы, действующие в системах управления.
1. Регулируемая переменная – выходная величина объекта управления, управление которой является целью работы системы управления.
2. Задающее воздействие – значение, на котором должна находиться регулируемая переменная.
3
3. Ошибка регулирования - разность между заданным и текущим значениями
регулируемой переменной.
4. Управляющее воздействие – входная переменная управляемого процесса,
которая может независимо изменяться в процессе управления и которая используется для компенсации влияния других входных воздействий.
5. Возмущающие воздействия – входные переменные процесса (кроме управляющего воздействия), изменения которых приводят к смещению регулируемой
переменной относительно заданного значения. Именно отработка влияния возмущающих воздействий является одной из основных целей создания систем
управления. При изменении возмущающего воздействия система управления
производит изменение управляющего воздействия, которое уравновешивает влияния возмущающего воздействия, в результате чего регулируемая выходная переменная остается на заданном уровне.
6. Промежуточные переменные, получаемые при преобразовании, усилении
сигналов и т.д.
3. Последовательность выполнения работы.
1. Получить у преподавателя функциональную схему системы управления.
2. На основании общих знаний физики процесса описать общие закономерности
функционирования объекта управления.
3. Выявить управляемый выходной параметр объекта управления и управляющее воздействие. Вывить качественную зависимость выходного управляющего
параметра от управляющего воздействия. Предположительно задаться видом количественной зависимости.
4. Выявить возмущающие воздействия, действующие на объект управления и
вызывающие отклонение выходного параметра объекта от заданного значения.
5. Выявить датчик, обеспечивающий измерение управляемого параметра.
6. Выявить задающее воздействие, обеспечивающее возможность формирования
заданного значения регулируемого параметра.
7. Выявить элемент, рассчитывающий ошибку системы управления.
4
8. Выявить управляющее устройство, обеспечивающее определение значения
управляющего воздействия.
9. Выявить исполнительный механизм, обеспечивающий подачу управляющего
воздействия на объект управления.
10. Выявить все промежуточные элементы, согласующие элементы системы по
типу сигналов, мощности, обеспечивающие требуемую мощность исполнительного механизма.
11. Подготовить отчет с результатами анализа системы управления.
a. На компьютере нарисовать функциональную схему системы управления.
b. Описать назначение системы управления.
c. Перечислить и показать все элементы системы управления.
d. Обозначить и показать все сигналы, действующие в системе – задающее
значение, возмущающие воздействия, выходную переменную, ошибку системы, управляющее воздействие, промежуточные сигналы системы.
e. Описать работу системы в стационарном режиме работы.
f. Описать работу системы при изменении задающего воздействия.
g. Описать работу системы при изменении возмущающего воздействия.
h. Сделать анализ, какие возмущающие воздействия отрабатывает данная
система управления.
4. Отчет по работе перед преподавателем.
5. Пример анализа системы управления. В качестве примера проведем анализ
системы автоматической компенсации радиальной составляющей силы резания
при токарной обработке [1].
1.
Функциональная схема системы управления приведена на рис. 2.
2.
Общие закономерности функционирования объекта управления. Объ-
ектом анализа является механическая система токарной обработки детали. При
обработке детали 1 резцом 2, под действием радиальной силы резания появляется
изгиб детали, что приводит к снижению точности ее обработки.
5
Для устранения деформации изгиба обрабатываемой детали имеется опорное устройство в виде подвижного люнета. Опорные ролики люнета 3, принимая
на себя радиальную составляющую силы резания, не дают возможности детали
прогибаться. На деталь со сторо-
ГУ
1
Д1
3
ны резца действует радиальная
ГЦ
Д2
сила резания, со стороны опорных роликов люнета сила, опре-
2
деляемая цилиндром 4.
ЭС
УУ
ЭУ
Обратим внимание, что,
вследствие изменения диаметра
Рис. 2. Система автоматической компенсации
радиальной составляющей силы резания.
детали в процессе резания, люнет
не может быть жестко зафикси-
рован. При уменьшении диаметра детали резец и ролики сближаются, при увеличении - раздвигаются. Поэтому объектом управления является подвижная система: деталь, ролики люнета на штоке цилиндра. На деталь действует переменная
радиальная сила резания, которая уравновешивается силой упругости детали при
ее изгибе и силой на штоке цилиндра люнета. Деталь не будет прогибаться только
тогда, когда сила на штоке цилиндра будет равна радиальной силе резания. В это
время усилие изгиба детали нулевое и деформация прогиба детали отсутствует.
Таким образом, надо создать систему, обеспечивающую равенство усилия
на штоке цилиндра радиальной силе резания. При таком подходе объектом управления является система, обеспечивающая усилие на штоке гидроцилиндра. В данном случае в объект управления удобно внести и исполнительный механизм –
гидроусилитель, преобразующий входное напряжение электронного усилителя в
пропорциональное давление на цилиндре гидроцилиндра.
3.
Вход-выход объекта управления. Управляемый параметр объекта
управления. Управляющее воздействие. Управляемым параметром является
значение усилия на штоке цилиндра, прикладываемого через ролики люнета на
обрабатываемую деталь. Управляющим воздействием является напряжение, поступающее на гидроусилитель.
6
4.
Возмущающие воздействия. В данной системе имеется два вида возмуща-
ющих воздействий. Возмущающими воздействиями, приводящими к изменениям
радиальной силы резания являются нестабильность диаметра заготовки детали,
характеристик материала, изменение положение резца относительно обрабатываемой детали. Данные возмущения приводят к изменению задания рассматриваемой
системе управления. Возмущающие воздействия в виде изменения характеристик
элементов системы, давления и характеристик масла в гидросистеме, приводящие к
изменению зависимостей сигналов на выходе элементов от входных сигналов, изменению пропорциональной зависимости между напряжением на входе гидроусилителя и усилием на штоке гидроцилиндра приводят к деформации и увеличению
погрешности обработки детали. Данные возмущения отрабатываются по отклонению текущего значения усилия на штоке от заданного значения.
5.
Датчик управляемой переменной. Управляемый параметр измеряется
датчиком усилия на штоке цилиндра Д2.
6.
Задающее воздействие. Роль задающего воздействием выполняет ради-
альная составляющая силы резания, измеряемая датчиком Д1. Еще раз отметим,
что данная система служит не для управления радиальной силой резания. Она
обеспечивает отслеживание силой опоры люнета переменного значения радиальной составляющей силы резания для устранения (уменьшения) деформации детали в процессе обработки, тем самым, уменьшения погрешность обработки.
7.
Элемент сравнения. Ошибка системы управления определяется элементом
сравнения ЭС путем вычитания текущего значения управляемого параметра из заданного значения
е g x,
где g , x - соответственно выходные сигналы датчиков Д1 и Д2.
8.
Управляющее устройство системы. Управляющим устройством, опреде-
ляющим значение управляющего воздействия при текущем значении отклонения
силы на оси цилиндра от текущего значения радиальной силы резания, является
управляющее устройство УУ.
7
Исполнительный механизм системы. Исполнительным механизмом в
9.
данной системе является гидроусилитель (золотниковый механизм) ГУ с гидроцилиндром, обеспечивающие требуемое значение на подвижной системе объекта
управления. Но в данном случае, как отмечено выше, исполнительный механизм
входит в объект управления и отдельно не рассматривается.
10. Промежуточные элементы системы. Промежуточным элементом системы
является электронный усилитель, служащий для усиления выходного сигнала
управляющего устройства и подачи его на входные цепи гидроусилителя.
11. Отчет по проделанной работе.
a. Функциональная схема системы представлена на рис. 2.
b. Назначение системы управления. Назначение системы управления заключается в устранении (уменьшении) деформации изгиба при токарной обработке длинных деталей вращения путем компенсации радиальной силы резания с
помощью подвижного люнета. При равенстве усилия на штоке цилиндра величине радиальной силе резания, сила резания полностью уравновешивается
и деформации изгиба обрабатываемой детали отсутствует. Это позволяет
уменьшить погрешность обработки длинных деталей вращения.
c. Элементы системы управления:

Объект управления: гидроусилитель с гидроцилиндром, преобразующие
выходной сигнал электронного усилителя в усилие на штоке гидроцилиндра.

Датчик поперечной силы резания на системе закрепления резца на суп-
порте.

Датчик усилия на штоке цилиндра привода люнета.

Элемент сравнения.

Управляющее устройство.

Исполнительный механизм – входит в объект управления.

Электронный усилитель –промежуточный элемент для согласования вы-
хода управляющего устройства с входом гидроусилителя (электрическими
катушками золотника гидроусилителя).
8

Гидроусилитель с гидроцилиндром – исполнительный механизм для
формирования противодействующего усилия на подвижной системе объекта
управления.
d. Сигналы, действующие в системе.

В данной системе задающим воздействием является текущее значение
поперечной составляющей силы резания, которое уравновешивается усилием на штоке гидроцилиндра. Задающим воздействием g является выход
датчика Д1.

Регулируемой переменной является усилие на штоке гидроцилиндра x ,
которое измеряется датчиком Д2.

Ошибка управления е рассчитывается элементом сравнения e  g  x .

Управляющее воздействием можно назвать все сигналы, начиная с выхо-
да управляющего устройства до входа объекта управления. Для их различения будем обозначать их u с различными индексами.

Управляющее воздействие u1 является выходным сигналом управляю-
щего устройства УУ. После усиления электронным усилителем управляющее воздействие становится u2 .
e. Работа системы в стационарном режиме. Стационарный режим имеет место
после окончания всех переходных процессов в системе управления. В таком
случае радиальная сила резания, определяется режимными параметрами обработки, уравновешивается силой на штоке гидроцилиндра. При этом на обрабатываемую деталь не действует поперечная изгибающая сила, и деформация изгиба детали отсутствует. Дополнительных погрешностей по причине
изгибной деформации не возникает.
f. Работа системы при изменении задающего воздействия. Допустим, что вследствие увеличения диаметра заготовки произошло увеличение радиальной силы резания. Увеличился сигнал с датчика Д1. Появилась положительная
ошибка рассогласования. Данная ошибка усилилась электронным усилителем
и на входе гидроусилителя появилось положительное напряжение, которое
9
привело к увеличению силы на штоке гидроцилиндра. Увеличение напряжения происходит до момента уравновешивания усилием на штоке поперечной
силы резания. При уменьшении радиальной силы резания система работает
аналогично, но напряжение на входе гидроусилителя и усилие на штоке гидроцилиндра уменьшаются до тех пор пока усилие на штоке не упадет до значения поперечной силы резания.
g. Работа системы при изменении возмущающего воздействия. Работу системы
при изменении возмущающего воздействия рассмотрим на примере изменения давления масла в гидросистеме. При падении давления масла в гидросистеме имеет место уменьшение силы на штоке гидроцилиндра. При этом появится ошибка регулирования положительного знака, что приведет к увеличению напряжения на входе гидроусилителя и увеличению усилия на штоке
гидроусилителя. Напряжения будет увеличиваться до тех пор, пока усилие на
штоке не сравняется со значением радиальной силы резания.
h. Какие возмущения отрабатывает система управления. Возмущения, приводящие к изменению радиальной силы резания система отрабатывает по каналу
задающего воздействия, при этом усилие на штоке гидроцилиндра увеличивается или уменьшается до уравновешивания с текущим значением задания.
Возмущения по смещению характеристик элементов системы, приводящие к
отклонению усилия на штоке гидроцилиндра от заданного значения, отрабатываются путем изменения входного напряжения на гидроусилителе.
Литература
1. Технология машиностроения: В 2 т. Т. 2. Производство машин. /В.М.Бурцев,
А.С. Васильев, О.М. Деев и др.; Под ред. Г.Н. Мельникова.- М.:Из-во МГТУ им.
Н.Э. Баумана. 1998.- 640.
2. Конспект лекций по ТАУ.
10