3. Основные понятия и определения в теории автоматического регулирования

Любой агрегат, аппарат или устройство, в котором требуется что-либо регулировать, в автоматике называется объектом регулирования (объектом управления). Тот параметр, который требуется регулировать, называют регулируемым параметром. То значение параметра, которое необходимо поддерживать постоянным или изменять по какому-либо закону, называют заданным значением.

В любом объекте регулирования имеется приток среды или энергии в объект и её расход из объекта. Расход среды или энергии из объекта поступает потребителю, который может изменять его по своему усмотрению.

Те устройства, с помощью которых можно изменять расходы сред, называют регулирующими органами (регулирующие клапаны, заслонки, направляющие аппараты, питатели и т.п.).

Любой объект регулирования может находиться в двух режимах работы: статическом (установившемся) и динамическом.

В статическом (установившемся) режиме приток среды или энергии в объект равен ее расходу из объекта. В объекте никаких изменений нет, регулируемый параметр не изменяется, постоянен. Его принимают за заданное значение. Регулирования не требуется.

В динамическом режиме приток среды в объект не равен ее расходу из объекта. В объекте начинаются изменения, параметры начинают изменяться. В этом режиме требуется регулирование. Причиной возникновения небаланса между притоком среды или энергии в объект и ее расходом из объекта в основном является потребитель. Влияние потребителя на объект регулирования называют внешним возмущением.

Рассмотрим эти понятия на наглядном примере бака с водой, как объекта регулирования уровня воды (рис.1).

О.Р. – объект регулирования; Р.О. – регулирующий орган; Q1 – приток среды; Q2 – расход среды; H – уровень воды в баке; H0 – заданное значение уровня; S – сечение бака; V0 – объем жидкости в баке при статическом режиме

Рис.1.

1. Статический режим: Q₁ = Q₂; Q = Q₁ – Q₂ = 0. Н = const = Н₀.

2. Динамический режим: Q₁  Q₂; Q = Q₁-Q₂; Н  - изменяется. При регулировании рассматриваются отклонения уровня от заданного значения Н = Н – Н₀.

При отклонении уровня воды на +Н (потребитель уменьшил расход Q₂), оператор при ручном управлении будет прикрывать регулирующий орган на притоке, уменьшая Q₁.

При новом равенстве расходов Q₁ и Q₂ опять установится баланс расходов, и уровень установится на каком-то значении. Следовательно, основной смысл регулирования сводится к установлению нового баланса между притоком среды или энергии и ее расходом из объекта.

4. Структурная схема системы автоматического регулирования

При создании системы автоматического регулирования необходимо: измерить уровень Н, сравнить его с заданным значением Н₀; получить сигнал рассогласования Н, усилить этот сигнал, послать его на исполнительный механизм, который будет перемещать регулирующий орган. Так как потребитель изменяет расход Q₂, создавая разбаланс расходов Q, исполнительный механизм должен управлять регулирующим органом на притоке, изменяя расход Q₁ в сторону восстановления баланса.

При выполнении вышеперечисленных задач получают автоматический регулятор, который будет состоять из следующих основных элементов:

1. Измерительное устройство (датчик) (И.У.).

2. Элемент сравнения (Э.С.).

3. Управляющее устройство (усилитель) (У.У.).

4. Исполнительный механизм (И.М.).

Структурная схема автоматического регулятора, получается объединением этих устройств в единую цепочку по последовательному прохождению сигналов (рис.2).

Рис.2.

Н – уровень воды в баке;  - электрическое представление уровня; ₀ – электрическое представление заданного значения уровня (Н₀);  - сигнал рассогласования:

 = (-₀);  - управляющий усиленный сигнал; _рег – регулирующее (управляющее) воздействие.

Под системой автоматического регулирования понимают совокупность объекта регулирования и автоматического регулятора.

Рис.3.

Входной величиной объекта регулирования является приток среды, а выходной величиной  регулируемый параметр (Н). Влияние потребителя на объект регулирования (изменение Q₂) обозначим буквой ( – внешнее возмущение). Тогда объект регулирования представляется на структурной схеме в следующем виде (рис.3).

Штрихами на рис.3 показано влияние Q₁ и Q₂ на регулируемый параметр Н.

Объединение структурных схем объекта регулирования и регулятора позволяет получить структурную схему системы автоматического регулирования (САР).

Эта схема фактически является общей для регулирования и других параметров (), под которыми можно понимать, кроме уровня, температуру, расход, давление, концентрацию и т.п.

Таким образом, смысл регулирования сводится к восстановлению баланса между Q₁ и Q₂ (т.е. Q = Q₁  Q₂ стремится к 0). При этом регулируемый параметр может установиться на заданном значении ₀ (Н₀) или на каком-то новом значении. Это зависит от принятого закона регулирования.

Рис.4.

Работа системы автоматического регулирования зависит от свойств объекта регулирования и выбранного закона регулирования.