Национальный исследовательский университет
«МИЭТ»
Основы управления техническими системами
Группы.КТ- 21, 22
Лектор Тарасова Г.И.
к.т.н., доц. Института МПСУ
1
Информационные аспекты
Дисциплина «Основы управления техническими
системами»
Институт Микроприборов и Систем Управления (МПСУ)
Директор института Переверзев Алексей Леонидович
Зам.: проф.,д.т.н. Щагин Анатолий Васильевич (ауд.4220)
Лекции (Л): доц.,к.т.н. Тарасова Галина Ивановна,
Бобков Владислав Дмитриевич
Практич.занятия (ПЗ): Топильская Татьяна Андреевна
Лаборатор.работы (ЛР): Шаромова Олеся Николаевна
Объем курса: Л – 8 шт.(16ч.)
Экзамен (max – 40б.)
ПЗ – 16 шт.(32ч.), КР – 3шт.
ЛР – 4 шт.(16ч.)
НБС – 50 - 69б.
- 70 – 85б.
- 86 – 100б.
Email: bvd@mpsu-miet.ru
Старосты групп КТ-21,22 – установить связь по почте.
удов.
хор.
отл.
2
Общие сведения о технических системах
управления
План лекции
1. Основные понятия и термины в теории автоматического
управления.
2. Типовые задачи теории автоматического управления.
3. Типовая структура систем автоматического управления.
Замкнутые и разомкнутые системы.
4. Примеры технических систем автоматического
управления.
5. Математическое описание элементов и технических
систем управления.
6. Типовые звенья технических систем автоматического
управления.
3
Основы управления техническими системами
Основные определения и понятия
Управление – организация процесса таким образом, чтобы
достичь желаемой цели.
Автоматизация – передача управления от человека
автоматическим устройствам. (аutomatos (греч.) – самодвижущийся)
Система управления – совокупность устройств,
обеспечивающих управление каким-либо объектом.
Автоматическая система управления – система,
выполняющая поставленные перед ней задачи без участия
человека (полного или частичного).
3 кита успеха в решении задач управления – технология
процесса, оборудование (СТО –специализированное технологическое
оборудование), управление процессом.
САУ – система автоматического управления;
АСУ – автоматизированная система управления;
САР – система автоматического регулирования.
4
Основные определения и понятия (продолжение)
База ОУТС: Теория Автоматического Управления (ТАУ) –
наука об общих принципах и методах построения
автоматических систем и закономерностях протекающих
в них процессов.
Типовые задачи ТАУ:
- разработка принципов построения систем;
- математическое описание процессов автоматического
управления;
- исследование структуры автоматических систем;
- анализ устойчивости автоматических систем;
- анализ качества процессов автоматического управления;
- синтез автоматических систем управления;
- разработка экспериментальных методов исследования
автоматических систем;
Управление каким-либо объектом (техническим) – это процесс
воздействия на него с целью обеспечения требуемого течения
процессов в объекте или требуемого изменения его состояния.
5
Основные определения и понятия
(продолжение)
(САУ)
Классические типы технических систем регулирования
в зависимости от вида входного воздействия x(t) включают:
системы стабилизации – x(t) = const;
системы программного управления – x(t) = φ(t) (сигнал
меняется по заранее заданному закону);
следящие системы – x(t) = ξ(t) (сигнал случайным образом меняется).
В общей классификации технических систем управления есть: линейные и
нелинейные, стационарные и нестационарные, непрерывные и дискретные,
детерминированные и стохастические, сосредоточенные и распределенные
системы.
Виды сложных технических систем управления:
самонастраивающиеся, экстремальные, адаптивные,
оптимальные, интеллектуальные и т.д.
6
Типовая структура САУ
Замкнутые и разомкнутые системы
1) Управление по отклонению
СС
ООС
УУ – управляющее устройство; ИУ – исполнительное устройство;
ОУ – объект управления; Д – датчик; СC – схема сравнения; ООС –
отрицательная обратная связь.
уз – задающее воздействие; ε(t) – отклонение (рассогласование, ошибка);
уд – сигнал с датчика (или действительный сигнал);
увых – выходной сигнал; f1, f2 – возмущения (вредные воздействия, помехи).
Достоинство замкнутой САУ – высокая точность.
Недостаток замкнутой САУ – сложная динамика.
7
Типовая структура САУ
(продолжение)
2) Управление по возмущению
УП – усилитель-преобразователь возмущения x1(t) ;
ИП – измерительный преобразователь.
Преимущество такого управления заключается в быстродействии
отработки возмущения. Возможно сделать систему инвариантной, т.е.
нечувствительной к возмущению.
3) Комбинированное управление – …(структур.схему – самостоят.)
8
Структура технической системы
стабилизации температуры
f-возмущающее
воздействие
Технологический
объект (печь,
нагревательное
устройство)
o
датчик
(термометр)
сравнивающее
устройство
xф
xз
Задатчик
q
Исполнительное
устройство
Устройство
управления
(регулятор)
x= x з - x ф
источник
энергии
Упрощенная структура замкнутой САУ
а)
б)
xз
f
x
Регулятор
(t )
y
Объект
xф
u (t )
9
Установка
диффузионная
Примеры
СТО микроэлектроники
Установка термической диффузии
•
1- камера цилиндрическая
2 – кварцевый реактор
3 – три секции нагревателя
4 – усилители мощности
5 – лодочка с пластинами
6- регулятор температуры
7 – устройство загрузки
8 – канал подачи кислорода
9 – канал подачи диффузанта
10 – канал подачи нейтр.газа
11- система пылезащиты
12 – вытяжка
13 – микропроцессорное УУ
14 – монитор
10
Установка эпитаксиального наращивания слоев
1 – кварцевый генератор
2 – нагреватель (ВЧ, ИК)
3 – подложки
4 – графический пьедестал
5 – канал подачи азота
6 – канал подачи водорода
7 – канал подачи силана
8 – канал подачи диффузанта
9 – насос форвакуумный
10 – скруббер (нейтрализатор)
11 – управл. источник питания
12 – микропроцессорное УУ
11
Установка плазмохимической обработки пластин
12
Математическое описание элементов САУ
Элемент – это отдельная конструктивная часть системы, выполняющая определенную
функцию.
Уравнение элемента – это дифференциальное уравнение, связывающее входной и
выходной сигналы:
n
di y m
d jx
ai i  b j j ;
dt
dt
i 0
j 0


dy
T
 y (t )  kx(t )
dt
Понятие передаточной функции (ПФ)
Передаточная функция – это отношение изображения по Лапласу выходного сигнала
элемента к изображению по Лапласу входного сигнала элемента при нулевых начальных
y (t )  y ( p )
условиях (н.н.у.).

dy
 p  y( p)
 pt
dt
Ly (t )  Y ( p)  y (t )e

0
W ( p) 
dt
Y ( p)
 при н.н.у.
X ( p)
d2y
 p 2  y( p)
2
dt
….…………….
dny . n
 p  y( p)
dt n
13
Математическое описание элементов САУ
(продолжение)
I) Пассивные электрические цепи (практ.занятие (ПЗ) №1 и ЛР№1)
1) Инерционная RC – цепь
(модель апериодического (инерционного) звена) :
k
W  p 
Tp  1
k  1; T  RC
2).Дифференцирующая RC – цепь
(модель реального дифференцирующего звена)
U2  p
Tp

U1  p  1  Tp
T  RC
3).Колебательный RLC – контур
(модель колебательного звена)
k  1; T  LC ;
k
W ( p)  2 2
;
T p  2Tp  1 0    1
14
Математическое описание элементов САУ
II. Операционный усилитель (ОУс) (ПЗ №2)
Понятие ОУс: это УПТ с большим
коэффициентом усиления, охваченный
глубокой ООС.
W ( p) 
Y ( p) U 2 ( p)

X ( p) U1 ( p)
при усл. iр ≈ 0, для т.А:
U 0  p   U1  p  U 2  p   U 0  p 

z1  p 
z2  p 
U 2  p   kU 0  p 
U2  p
k
U 0  z2  U1  z2  U 2  z1  U 0  z1
U0  
U 0   z2  z1   U1 z2  U 2 z1
z z
U 2  2 1  U 2 z1  U1 z2
k
I1  p   I 2  p 
U2
z2

z2  z1
U1
 z1
k
При k→ :
U2
z
 2
U1
z1
z2  p 
W  p  
z1  p 
15
Математическое описание элементов САУ
(продолжение)
III. Двигатель постоянного тока
Uя(t) – вх., ω(t) – вых.
diя
U я (t )  rяi я  Lя 
 e(t ),
dt
e(t )  Ce  (t )
Fi
dv
a
dt
m
d M j

dt
J
- для поступательного
движения;
- для вращательного
движения;
 M j  M вр  М с , М вр  См  iя
diя

U я (t )  rяiя  Lя dt  Ce  (t )

 J d  C  i  M
м я
c
 dt
Принимаем допущение:
L я  0; M c  0;
16
Математическое описание элементов САУ
III. Двигатель постоянного тока (продолжение)
U я (t )  rя i я  Ce  (t );

 d
 J dt  C м  i я .
Tp  ( p)  ( p)  k  U я ( p)
rя  J d
J d
iя 

 U я (t ) 

 Ce  (t );
C м dt
C м dt
( p)
k
W ( p) 

U я ( p) Tp  1
rя J d
1

 (t ) 
U я (t );
C м Се dt
Ce
d
T
 (t )  k  U я (t ).
dt
rя J
1
T
k
CмСе
Ce
Переходная характеристика двигателя
Идентификация – это процесс нахождения удовлетворительного
математического описания элемента (объекта, устройства, системы и т.д.).
17
Типовые звенья систем управления
Под типовым звеном понимают устройство любой физической природы и любого
конструктивного оформления, но имеющее определенное математическое описание
(диф.уравнение, передаточную функцию, динамические характеристики и т.п.).
Примеры апериодического звена :
W  p 
k
Tp  1
k  1; T  RC
1 K 
k 
A  Дж/с 
C
T  [c]
A
R2
k 
R1
T  R2C
1
K
Ce
rя J
T
CмСе
18
Типовые звенья систем управления
1) Усилительное звено (пропорциональное,
W  p  k
безынерционное) Звенья интегрирующего типа:
2) идеальное интегрирующее -
W  p 
k
W  p 
3) апериодическое (инерционное) Tp  1
k
4) колебательное W  p  2 2
T p  2Tp  1
Звенья дифференцирующего типа:
5) идеальное дифференцирующее W
k
p
 p   kp  Tp
6) форсирующее 1-го порядка -
W  p   Tp  1
7) форсирующее 2-го порядка -
W  p   T 2 p2  2Tp  1
Трансцендентное звено
8) звено запаздывания -
y  p
W  p 
 e  p з
x  p
19
Структурные преобразования
Это правила, позволяющие заменить несколько
элементов системы одним эквивалентным элементом.
1. Последовательное соединение элементов
X 3  p   X 2  W2  p 
X 2  p   X 1  W1  p 
X 3 ( p)  X1 ( p)  W1 ( p)  W2 ( p)
X 32
 W1  p   W2  p 
X1
W  p   W1  p   W2  p 
W ( p) 
n
Wi ( p)
i 1
20
Структурные преобразования
(продолжение)
2. Параллельное соединение элементов
X n  p   X 2  p   X 3  p   X 1  p  W1  p   X 1  p  W2  p  
 X 1  p   W1  p   W2  p  
X n  p
W  p 
 W1  p   W2  p 
X1  p 
W ( p) 
n
Wi ( p)
i 1
21
Структурные преобразования
(продолжение)
3. Соединение элементов типа обратной связи
−
(+)
а). ООС:
X 3  p   X 2  p  W1  p    X 1  p   X 4  p   W1  p   X 1  p  W1  p  
 X 4  p  W1  p   X 1  p  W1  p   X 3  p  W2  p  W1  p 
X 3  p   X 3  p  W1  p  W2  p   X 1  p  W1  p 
X 3  p   1  W1  p  W2  p    X 1  p  W1  p 
X3  p
W1  p 
W3  p  

X 1  p  1_ W1  p  W2  p 
б).ПОС: W(p) = ……
в). Единичная ОС: W(p) = ……
22
Передаточные функции
разомкнутых и замкнутых САУ
БЗ
X(t)
CC
ε(t)
УУ
ИУ
u(t)
ОУ
y(t)
y´(t) −
Д
W ( p)  WУУ ( р) WИУ ( р) WоУ ( р ) WДат( р )
Wпр ( р)
WУУ ( р) WИУ ( р) WОУ ( р)
Ф( р ) 

1  Wпр( р) Wос( р) 1  WУУ ( р) WИУ ( р) WОУ ( р) WДат( р)
W(р) – ПФ разомкнутой системы;
Ф(р) – ПФ замкнутой системы;
Wпр(p) – ПФ прямой цепи;
Wос(p) – ПФ цепи ОС .
23
′ характеристики элементов
Временные
Типовыми временными характеристиками в ТАУ являются переходная
характеристика и весовая (импульсная переходная) характеристика.
0, при t  0
1(t )  
1, при t  0
, при t  0
 (t )  
0, при t  0
Переходной характеристикой h(t ) называется реакция элемента (звена,
устройства, объекта, системы и т.п.) на единичный скачок при нулевых
начальных условиях (ЛР№1).
Весовой характеристикой w(t) называется реакция элемента (звена,
устройства, объекта, системы и т.п.) на единичный мгновенный импульс (или
дельта-функцию) при нулевых начальных условиях.
1  1

h(t )  L  W ( p);

p
L1(t )  1 / p
w(t )  L1W ( p) ;
L (t )  1
dh(t )
w(t ) 
dt
24