1. Общие сведения о системах автоматического регулирования
1.1. Основные задачи
Перед теорией автоматического регулирования ставятся следующие основные задачи.
1. Разработка методов синтеза систем автоматического регулирования, позволяющих выбрать схему взаимодействия элементов, а также параметры и характеристики этих элементов таким образом, чтобы система в целом удовлетворяла заданным требованиям к её поведению в статике и динамике.
2. Разработка методов анализа систем автоматического регулирования, позволяющих определить, удовлетворяют ли они предъявленным к ним требованиям, и показывающих пути улучшения их статических и динамических свойств.
3. Разработка методов коррекции систем автоматического регулирования, позволяющих нужным образом изменять их статические и динамические свойства.
4. Разработка методов экспериментального исследования и наладки систем автоматического регулирования.
Главной задачей теории автоматического регулирования следует считать создание методов синтеза.
В настоящее время разработка и проектирование систем автоматического регулирования является сложной задачей. Здесь можно наметить следующие основные этапы.
Изучение объекта регулирования, определение его характеристик, параметров, условий работы и воздействий, которые он испытывает.
Формулирование требований к системе регулирования.
Выбор первоначальной схемы регулирования.
Выбор элементов схемы регулирования на основе требований к их мощности, надёжности, имеющихся источников питания, эксплуатационных требований и т. д.
Определение характеристик системы регулирования, обеспечивающих выполнение требований по статике и динамике.
Уточнение структурной схемы регулирования, определение необходимых корректирующих средств, окончательный выбор и расчёт элементов и параметров системы регулирования.
Теоретический анализ спроектированной системы, построение переходных процессов, частотных характеристик, исследование влияния различных управляющих и возмущающих воздействий.
Экспериментальное исследование спроектированной системы в лабораторных условиях на макетах или моделях и внесение корректировок в схему.
Проектирование и монтаж системы регулирования.
10. Наладка системы регулирования в реальных условиях работы и опытная эксплуатация.
1.2. Понятие об автоматическом регулировании
Автоматическим регулированием называется поддержание постоянного значения какой-либо физической величины или изменение этой величины по некоторому закону при помощи автоматически действующих устройств, и при любых возмущающих воздействиях.
Поддержание постоянства некоторой физической величины (скорости движения, тока двигателей, температуры, давления, скорости вращения и т. д.) является основной задачей автоматического регулирования. В этом случае система автоматического регулирования называется системой автоматической стабилизации. Однако в ряде случаев к системе автоматического регулирования предъявляется требование изменять физическую величину по какому-либо заранее известному закону. Это называется программным регулированием.
Например, по определённой программе может осуществляться изменение режима работы двигателя при его пуске, изменение напряжения на двигателе при движении по переменному профилю, изменение температуры изделия при его термической обработке и т. д.
Наконец, в ряде случаев заранее не известен тот закон, по которому должна изменяться регулируемая величина. Так, например, возникновение боксования колесных пар или аварийные режимы работы преобразователя не могут быть заранее вычислены или определены, так как они обусловливаются внешними факторами, не поддающимися контролю. Такие системы автоматического регулирования называются следящими системами.
В последнее время большое значение приобретает так называемое экстремальное регулирование, обеспечивающее автоматическое поддержание в каком-либо объекте выгоднейшего эксплуатационного режима. Так, например, система экстремального регулирования может обеспечить поддержание для локомотива режима минимального расхода электроэнергии (топлива) при различных внешних факторах, действующих на объект.
Получили развитие также самонастраивающиеся системы, у которых параметры не остаются неизменными, а преобразуются при изменении внешних условий, и самоорганизующиеся системы, у которых совокупность правил и логических действий, определяющих работу этих систем, не остаётся неизменной, а преобразуется при изменении внешних условий.
В дальнейшем изложении основ теории автоматического управления и регулирования будем пользоваться следующими терминами.
Объект регулирования (ОР) или регулируемый объект (рис. 1.1) – устройство, в котором осуществляется автоматическое регулирование. Например, двигатель, генератор, локомотив.
Рис. 1.1. Система автоматического регулирования
Автоматический регулятор или просто регулятор (Р) – устройство, выполняющее задачу автоматического регулирования каких-то параметров в объекте регулирования. Например, регулятор скорости, напряжения и(или) тока.
Система автоматического регулирования (САР) – совокупность объекта регулирования и регулятора.
Регулируемая величина Х (рис. 1.1) – физическая величина, которая подлежит автоматическому регулированию.
Возмущающее воздействие Fк – всякое внешнее воздействие на объект регулирования, которое стремится вызвать отклонение регулируемой величины от заданного значения.
Регулирующее воздействие Fх – воздействие, оказываемое регулятором на регулируемый объект с целью обеспечения протекания в нем желаемого процесса так, чтобы регулируемая величина равнялась заданному значению.
Управляющее воздействие Y – функция времени, определяющая заданное значение регулируемой величины. В более сложных случаях регулируемая величина связана с управляющим воздействием некоторой функциональной зависимостью. Однако при дальнейшем изложении будем под управляющим воздействием понимать именно заданное значение регулируемой величины. Очевидно, что в случае автоматической стабилизации управляющее воздействие представляет собой постоянную величину, в системах программного управления – известную функцию времени и в следящих системах – неизвестную функцию времени.
В результате изменения управляющего или возмущающего воздействия в системе автоматического регулирования наблюдается процесс изменения регулируемой величины.
Переходный процесс – изменение во времени регулируемой величины при переходе от одного установившегося состояния к другому.
Переходный процесс характеризуется несколькими параметрами.
Динамическое отклонение – разность между начальным и текущим значениями регулируемой величины в переходном процессе.
Динамическая ошибка – разность между заданным и текущим значениями регулируемой величины.
Статическое отклонение – установившееся значение разности между начальным и конечным значениями регулируемой величины в переходном процессе при постоянном значении управляющего и возмущающего воздействий.
Статическая ошибка – установившееся значение разности между заданным и конечным значениями регулируемой величины при тех же условиях.
Статические САР (≠ 0) – системы, у которых статическая ошибка отлична от нуля.
Астатические САР (= 0) – системы, у которых статическая ошибка равна нулю.
Понятие статической и астатической систем регулирования должно быть связано с видом воздействия. Можно судить о статизме или астатизме относительно управляющего или возмущающего воздействий. Эти свойства могут совпадать и не совпадать в одной и той же системе.
Параметры САР – величины, определяющие свойства отдельных элементов системы (масса, момент инерции, индуктивность, электрическое сопротивление, коэффициент трения, коэффициент усиления, передаточное отношение и т. п.).
Параметры САР могут быть постоянными и переменными.
Линейная САР с постоянными параметрами или просто линейная САР – система, у которой все параметры – постоянные величины. Ни в какой реальной системе параметры никогда не являются строго постоянными, но часто их можно считать таковыми с большей или меньшей степенью точности.
Линейная САР с переменными параметрами – система, у которой некоторые из параметров представляют собой функции времени. Так, например, при движении по сложному профилю пути в локомотиве активно расходуется песок (или топливо в тепловозе) изменяется общая масса локомотива, следовательно, и условия реализации максимальной силы тяги.
Принцип суперпозиции – при действии на систему одновременно нескольких воздействий их совместный эффект равен сумме эффектов, вызываемых каждым из этих воздействий в отдельности. Это одно из важнейших свойств линейной САР.
Часто параметры САР являются функциями не времени, а самих переменных, описывающих поведение системы (разных воздействий или их производных). Так, например, сопротивление обмоток тягового двигателя (ТЭД) является сложной функцией намагничивающего тока, температуры и т. д.
Нелинейные САР – система, у которой хотя бы один параметр не сохраняет постоянного значения, а изменяется при изменении переменных, описывающих поведение системы.
Следует заметить, что понятие нелинейных систем является более широким, этот вопрос будет рассмотрен в разд. 9.