2.7. Классификация систем автоматического регулирования

Системы автоматического регулирования можно классифицировать по различным признакам: принципу действия, характеру сигналов, математическому описанию, виду используемой энергии и т. д. Рассмотрим сначала классификацию систем по принципу их действия. При этом все многообразие систем автоматического регулирования можно подразделить на четыре класса: системы, работающие по разомкнутому, замкнутому, комбинированному циклам, и самонастраивающиеся системы. Самонастраивающиеся системы для нормального функционирования не требуют полных знаний о характере процесса регулирования и в процессе работы приспосабливаются к изменяющимся внешним условиям.

Каждый класс систем регулирования разделяется на группы (см. рис. 2.8). Системы автоматического регулирования, работающие по замкнутому циклу, делятся на системы автоматической стабилизации, системы программного регулирования и следящие системы.

В системах автоматической стабилизации управляющие воздействия являются постоянными заранее заданными величинами. Системы программного регулирования отличаются от систем стабилизации тем, что в них управляющие воздействия являются известными функциями времени. В следящих системах управляющие воздействия представляют собой заранее неизвестные функции времени.

Системы автоматического регулирования, работающие по разомкнутому циклу, делят на системы компенсации и разомкнутые системы программного регулирования. Системы компенсации уменьшают влияние возмущающих воздействий на регулируемые переменные путем изменения самих воздействий или компенсации их действия на системы.

К системам программного регулирования относятся металлорежущие станки с программным управлением. Программа управления, записанная в цифровом коде, поступает на исполнительные устройства станков, обеспечивая заданную последовательность выполнения операций обработки.

Рис. 2.8. Классификация систем автоматического регулирования

Системы автоматического регулирования, работающие по комбинированному циклу, делятся на две группы: системы автоматической стабилизации и следящие системы. Эти системы могут иметь один или два разомкнутых цикла, компенсирующих влияние сигналов управления и возмущения.

Наконец, к последнему классу систем относятся три группы: самонастраивающиеся системы экстремального регулирования, системы с перестраивающимися устройствами и аналитические самонастраивающиеся системы.

В экстремальных системах автоматический регулятор поддерживает экстремальное значение регулируемой величины путем подачи поискового сигнала.

В системах с перестраивающимися устройствами параметры или структура автоматически изменяются в зависимости от управляющих и возмущающих воздействий или переменности параметров объекта. Перестройка свойств аналитических самонастраивающихся систем осуществляется на основе аналитического определения их динамических характеристик. Из этого определения следует, что в состав аналитических самонастраивающихся систем должны входить вычислительные машины. Следует отметить, что в самонастраивающихся системах регулирования с цифровыми вычислительными машинами последовательность действий, заданная программой, называется алгоритмом.

В ряде случаев в самонастраивающиеся системы, кроме обычных устройств систем регулирования, входят элементы, выполняющие логические операции, блоки памяти и устройства формирования поискового сигнала. Помимо основных логических элементов, осуществляющих операции ДА, НЕТ, И, ИЛИ, здесь применяются более сложные элементы, выполняющие операции совпадения, равнозначности, нахождения экстремума, выбора из нескольких однородных величин наибольшей или наименьшей.

При классификации систем регулирования по виду сигналов все системы можно разделить на:

• непрерывны;

• дискретны;

• дискретно-непрерывные (цифровые);

• релейные.

В непрерывных системах все сигналы в устройствах и объектах регулирования представляют собой непрерывные функции времени. В дискретных системах все сигналы квантуются по времени и амплитуде, а в дискретно-непрерывных - только по времени. В последнем классе систем имеются две группы устройств регулирования: непрерывных и дискретных. При квантовании непрерывного сигнала по уровню образуется ступенчатый сигнал. Элементы, осуществляющие квантование сигнала по уровню, называются релейными, а системы с подобного рода элементами - релейными системами автоматического регулирования.

Классификация по математическому описанию разделяет все системы на два класса (т. е. по виду дифференциальных уравнений, описывающих поведение системы в динамике):

• линейные;

• и нелинейные.

При такой классификации каждый класс систем можно разбить на четыре группы:

• стационарные с сосредоточенными параметрами;

• стационарные с сосредоточенными и распределенными параметрами;

• нестационарные системы с сосредоточенными параметрами;

• нестационарные системы с сосредоточенными и распределенными параметрами.

Первая группа систем описывается обыкновенными дифференциальными уравнениями с постоянными параметрами. В системах с распределенными параметрами (вторая группа) отдельные устройства системы или ее объекты описываются дифференциальными уравнениями в частных производных В системах третьей и четвертой групп параметры дифференциальных уравнений изменяются в зависимости от времени. Каждая группа систем может быть разделена на две подгруппы:

• детерминированные;

• стахостические.

При классификации по виду используемой энергии все системы можно подразделить на электрические, гидравлические, пневматические, электрогидравлические, электропневматические и т. п. Однако этой классификацией в настоящее время пользуются крайне редко.

Как известно, всякая система автоматического регулирования состоит из объекта регулирования и регулятора, в который входит чувствительный элемент. Системы регулирования, где чувствительный элемент воздействует непосредственно на регулирующий орган, называются системами прямого регулирования, а регуляторы - регуляторами прямого действия.

В регуляторах прямого действия энергия, необходимая для изменения положения регулирующего органа, поступает от чувствительного элемента. Если последний не в состоянии развить требуемую мощность для нормальной работы регулирующего органа, то система регулирования не может функционировать. Кроме того, системы прямого регулирования имеют низкую точность и поэтому применяются редко.

В системах непрямого регулирования после чувствительного элемента устанавливаются усилители мощности и серводвигатели, воздействующие на регулируемые органы. В этом случае повышается точность и качество процессов регулирования.

В зависимости от числа регулируемых величин системы автоматического регулирования подразделяют на:

• одномерные (одна регулируемая величина);

• двухмерные (две регулируемые величины);

• многомерные (при n - регулируемых величинах).

Многомерные системы регулирования могут быть системами несвязанного и связанного регулирования. В системе несвязанного регулирования регуляторы, управляющие различными переменными, не связаны друг с другом и работают независимо. В системе связанного регулирования регуляторы связаны между собой и для нормальной работы требуется их вполне определенное взаимодействие. Систему связанного регулирования называют автономной, если существуют такие связи между регуляторами, когда изменение одной из регулируемых величин не вызывает изменения остальных.