1.1. Принципы регулирования

Объект управления и элементы регулятора, образующие в со­вокупности САР, могут быть объединены двумя разными способа­ми и реализовать в зависимости от этого два различных принципа регулирования. Один из них получил название принцип регулирова­ния по отклонению параметра (принцип Ползунова - Уатта), вто­рой - принцип регулирования по возмущающему воздействию (прин­цип Понселе). Рассмотрим каждый из них пользуясь соответствую­щими структурными схемами, которые в графической форме ото­бражают последовательность прохождения потока информационных сигналов, их преобразований при функционировании системы.

На рис.1.2. приведена структурная схема системы регулирова­ния "по отклонению параметра" или, как короче называют — "по отклонению". Величина параметра объекта управления Р воспри­нимается датчиком и преобразуется в другую физическую вели­чину — сигнал - [Р]. В элементе сравнения этот сигнал вычита­ется из сигнала задатчика цели (З.Ц.) управления. Сигнал задатчика несет информацию о желаемом значении параметра, а сам задатчик является своего рода запоминающим устройством, хранящем в виде сигнала [Р₃] информацию о конечной цели регу­лирования. Сигнал разницы (отклонения) ∆ после усиления преоб­разуется исполнительным устройством в пропорциональное по ве­личине и знаку изменение управляющего воздействия ∆Х_у. Измене­ние управляющего воздействия на ОУ приводит к изменению его параметра. Измененное значение параметра Р преобразуется дат­чиком в новое значение сигнала [Р] и т.д. Процесс изменения пара­метра происходит до тех пор, пока сигнал Д не достигнет нулевого значения. Достижение этого состояния произойдет обязательно, т.к. при ненулевых значениях ∆, величина и знак управляющего воздей­ствия будут направлены на достижение этой цели. В результате, фактическое значение параметра Р станет равным заданному (же­лаемому) Р₃. Если, к примеру Р>Р₃ , то ∆<0, ∆Х_у<0, управляющее воздействие уменьшается, следовательно уменьшается величина Р, приближаясь к Р₃; если Р<Р₃, то ∆>0, ∆Х_у>0, величина Р увели­чивается приближаясь к Р₃. Таким образом, в любом случае, уп­равляющее воздействие имеет такой знак, при котором величина параметра будет приближаться к заданному значению. Величина управляющего воздействия будет влиять на скорость при­ближения параметра к конечной цели, а значит и на быстроту дости­жения регулятором этой цели.

Рис. 1.2. Структурная схема системы автоматического регулирования "по отклонению параметра":

О.У. - объект управления;

И.У. - исполнительное устройство;

P.O. - регулирующий орган;

И.М. - исполнительный механизм;

З.Ц. - задатчик цели (заданного значения параметра);

Ус - усилитель;

Э.С. - элемент сравнения

Кольцевая структура, которую образуют объект управления элементы регулятора (датчик, элемент сравнения, исполнительны механизм и регулирующий орган) получила название контур регулирования . В реальных системах регулирования, даже для одно объекта, контуров регулирования может быть много, например, если речь идет об управлении несколькими параметрами ОУ.

Представленная схема является иллюстрацией так называемой обратной связи, которую создают в системе эле­менты регулятора, и которая заключается в том, что параметр объекта управления Р, пройдя все преобразования в элементах регулятора, превращается в управляющее воздействие X_у на са­мого себя.

Идея обратной связи напоминает собой идею вечного дви­гателя, только в данном случае речь идет об "информационном вечном двигателе", которым и является система автоматичес­кого регулирования. Механизм обратной связи широко использу­ется также и в самих элементах регулятора, это позволяет полу­чить требуемые характеристики преобразования информации эле­мента и повысить их стабильность.

На рис.1.3. в качестве примера системы автоматического регу­лирования "по отклонению", приведен вариант системы (точнее - подсистемы) регулирования режимом работы бульдозера.

Рис. 1.3. САР нагрузки двигателя бульдозера:

1 - золотниковый гидропереключатель; 2 - плунжеры соленоидов;

3 - силовой гидроцилиндр; ЭМ1, ЭМ2 - катушки соленоидов

Объектом управления является бульдозер. Параметром управ­ления выбрана величина мощности Q развиваемая двигателем ма­шины. Целью управления является поддержание заданного посто­янного значения мощности Q₃. Смыслом такой постановки задачи управления является обеспечение максимальной производительно­сти машины (т.к. мощность мотора идет на выполнение работы по срезанию и перемещению грунта), при отсутствии недогрузки или перегрузки двигателя.

Управляющим воздействием взята величина заглубления отва­ла в грунт. Обеспечению постоянной загрузки двигателя препят­ствует непостоянная величина жесткости грунта, что и является в данной ситуации основным возмущающим воздействием.

Фактическая мощность двигателя Q оценивается не непосред­ственно, а как результат произведения измеренных соответствую­щими датчиками скорости вращения вала n и момента М на валу мотора. Результатом произведения сигналов [n] и [М] является сиг­нал [Q], несущий информацию о фактической мощности развивае­мой двигателем. Сигнал разницы ∆ после усиления управляет че­рез соленоиды ЭМ1 и ЭМ2 положением золотника. Если сигнал ∆>0, что будет иметь место при Q<Q₃ т.е. при недогрузке двига­теля, положительный сигнал усилителя через верхний диод посту­пит на катушку соленоида ЭМ1, который втянет плунжер, в резуль­тате напор жидкости в гидросистеме через золотник будет посту­пать в верхнюю половину гидроцилиндра, что приведет к заглубле­нию отвала бульдозера. Заглубление будет производится до тех пор, пока сигнал ∆ не примет нулевое значение, т. е., пока мощность на валу мотора машины не достигнет желаемого значения. Если жесткость грунта на пути движения машина увеличится, то воз­растет момент нагрузки на валу двигателя и возрастет величина Q, сигнал ∆ примет отрицательное значение, отрицательный сиг­нал усилителя через нижний по схеме диод поступит на катушку соленоида ЭМ2. Гидроцилиндр начнет поднимать отвал, снижая нагрузку на двигатель. Таким образом, изменяя величину заг­лубления отвала в грунт, регулятор обеспечивает постоянную загрузку двигателя.

Регулирующим органом, непосредственно оказывающим уп­равляющее воздействие, можно считать отвал бульдозера, в роли исполнительного механизма , приводящего регулирующий орган в движение, можно рассматривать гидросистему с соленоидным приводом золотникового гидропереключателя.

Влияние усилителя сигнала ∆ проявляется в быстроте и точно­сти, с которой система восстанавливает заданное значение мощнос­ти Q при её отклонении от заданного значения из-за возмущений. Увеличение коэффициента усиления усилителя в K_vc раз, приведет в К_ус раз большему значению величины сигнала поступающего на ка­тушки соленоидов золотникового гидропереключателя, и, как след­ствие, - к пропорционально большему потоку жидкости в гидроци­линдр и большей скорости перемещения отвала.

Но, оказывается, беспредельно увеличивать коэффициент уси­ления нельзя. По мере роста К_ус происходит улуч­шение точности поддержания заданного значения параметра - Q, но затем происходит обратное, - значительно увеличивается время вос­становления заданного значения параметра при действии возмуще­ний. Причем, из-за инерционности системы гидравлики, отвала, дат­чиков измерения мощности двигателя, характер приближения мощ­ности к Q₃ имеет вид затухающих колебаний около Q₃: - отвал то слишком заглубляется в грунт, то излишне поднимается. При даль­нейшем увеличении К_ус, колебания становятся незатухающими и с нарастающей амплитудой. Такое явление называется потерей устой­чивости системы регулирования. При большом размахе колебаний параметров объекта управления, возникающие в нем нагрузки мо­гут превысить допустимые пределы и даже довести объект управ­ления до физического разрушения.

Справляясь с задачей стабилизации мощности мо­тора, работа системы регулирования приве­дет к тому, что участки поверхности с более мягким грунтом будут выбираться глубже, чем более жесткие, что во многих случаях выполнения земляных работ потребует впоследствии проведения дополнительной планировки поверхности с неизбежными затратами времени и средств.

Подобные ситуации, а они встречаются не редко в практике автоматизации, могут дискредитировать саму идею автоматизации. Пользуясь рассмотренным примером можно полагать, что такая ситуация возникла не потому, что "техника ещё не может заменить человека", а потому, что человек создавав­ший автоматизированный бульдозер не уделил должного внимания формализации задачи управления, т.е либо не заметил, либо за­был учесть какие-либо возможные нюансы в технологии исполь­зования машины.

Рассмотренный выше пример автоматизации бульдозера мож­но легко видоизменить таким образом, чтобы и двигатель был стабильно загружен и планируемая поверхность не имела "рель­ефа жесткости". Для этого можно выбрать в качестве управляю­щего воздействия не величину заглубления отвала, а, к примеру, - передаточный коэффициент редуктора двигатель - трансмис­сия К_р. В этом случае поведение машины будет иным: на мягком грунте, чтобы не снизить загрузку двигателя, регулятор увели­чит передаточное отношение редуктора, что приведет к возрас­танию скорости движения машины; на жестком наоборот, - ско­рость снизится. Но и такое решение задачи автоматизации буль­дозера имеет свои скрытые "проколы". Например, при работе ма­шины на скользком грунте (мокрая глина) сила сопротивления движению отвала, при заданном его заглублении, может превы­сить силу сцепления колес (гусениц) с грунтом. В итоге, нагрузка на двигатель будет малой, т.к. ему "легко" вращать скользящие гусеницы, а система регулирования будет наращивать скорость их вращения, машина же будет оставаться неподвижной. Чтобы устранить и этот недостаток необходимо предусмотреть возмож­ность измерения и учета машиной степени скольжения. Это оз­начает, что кроме "старого параметра" - мощности мотора не­обходимо дополнительно в систему ввести новые. Не углубляя рассмотрение вопроса автоматизации бульдозера, отметим сле­дующие общие моменты:

- без знания технологического процесса, его особенностей не­возможно рационально спроектировать систему регулирования;

-главным при создании систем управления является не "вы­думывание" и рисование всевозможных схем и "изобретение" различных элементов и узлов. Главным является формализация задачи управления, лаконичная (без ненужных подробностей) и, в то же время, охватывающая все реально возможные ситуации в поведении технологического процесса. Под формализацией за­дачи подразумевается, в первую очередь, выбор перечня необхо­димых параметров процесса (мощность двигателя, степень сколь­жения гусениц и др.) и управляющих воздействий (заглубление отвала, коэффициент передачи редуктора и др.), и указание желае­мых значений выбранных параметров;

- анализ поведения системы, на основе лишь только структур­ной схемы, уже позволяет легко обнаружить серьезные, принципи­альные промахи в решении задачи (неверный выбор параметров, уп­равляющих воздействий, неверный выбор конечных [желаемых] значе­ний параметров), или наоборот: - убедиться в правильности выбранных решений. В настоящее время для такого анализа широко применяются компьютеры, позволяющие смоделировать процесс управления не только для отдельных частных ситуаций, но и наглядно продемонстриро­вать разработчику будущей системы её поведение в динамике, при всевозможных изменениях технологических факторов.

Рассмотрим принцип регулирования "по возмущающему воздействию" ("по возмущению"). Структурная схема системы автоматического регулирования работающего на основе этого принципа представлена на рис.1.4.

В отличие от рассмотренной выше САР "по отклонению", в системе автоматического регулирования "по возмущению" вели­чина параметра Р непосредственно не измеряется и не учитыва­ется. Измеряется причина её изменения - возмущающие воздей­ствия Х_в. Преобразованный датчиком сигнал [Х_в], несущий ин­формацию о величине возмущающих воздействий вычитается из сигнала задатчика [Х_э]. Разница [Х_у], рассматривается в системе, как сигнал несущий информацию о необходимом управляю­щем воздействии Х_у. Предположим, что в системе отсутствуют воз­мущающие воздействия (Х_в=0). В этом случае будет иметь место Х_у=Х_э, т.е. на объект управления воздействует лишь управляющее воздействие, равное эталонному.

Если появится положительное (по знаку) возмущающее воздей­ствие, то величина управляющего будет уменьшена на Х_в. Если воз­мущение будет отрицательным, то управляющее воздействие на столько же увеличится. Из приведенной схемы следует, что объект управления испытывает оба воздействия Х_у и Х_в, при этом:

Х_У + Х_В = (Х_Э - Х_В) + Х_В = Х_Э ;

Это значит, что независимо от того, есть возмущения или их нет, объект управления всегда испытывает постоянное воздействие равное эталонному, а значит его параметр сохраняется неизмен­ным, заданным.

Рис. 1.4. Структурная схема САР "по возмущению":

О.У. - объект управления;

И.У. - исполнительное устройство;

З.Э.В. - задатчик эталонного воздействия (при котором обеспечивается заданное состояние ОУ)

Главным достоинством регулирования "по возмущению" явля ется его упреждающий характер, - величина параметра ОУ еще н успела изменится из-за возмущающих факторов, а величина управ­ляющего воздействия регулятора уже скорректирована, причем сра­зу на необходимую величину. Это значит, что регулятор "по возму­щению" может обеспечивать абсолютно точное значение парамет­ра объекта, без малейших её колебаний. Но это возможно только в том случае, если регулятор учитывает все возмущающие воздей­ствия, что на практике выполнить затруднительно. Если обратиться к рассмотренному выше примеру автоматизации бульдозера, то при со­здании системы регулирования на основе принципа "по возмущению" пришлось бы измерять жесткость грунта, рельеф поверхности, наклон машины, степень износа трансмиссии и отвала, количество налип­шей на гусеницы и другие элементы машины глины и др. Т.о., зада­ча значительно усложняется технически, - чем с большей точнос­тью необходимо управлять, тем большое количество датчиков не­обходимо устанавливать, вплоть до измерения веса бульдозериста.

Поэтому регулирование "по возмущению" крайне редко использует­ся самостоятельно (лишь в том случае, когда возмущающих воз­действий мало и их легко измерить), чаще такое регулирование ис­пользуется как дополнительное, вспомогательное в регуляторах "по отклонению". В этом случае измеряются лишь некоторые, наибо­лее влияющие на состояние ОУ возмущения. Такое комбинированное управление позволяет улучшить реакцию регулятора в динамике, - он не будет ожидать изменения параметра, а сразу отреагирует на возму­щающий фактор. Например, в некоторых системах кондиционирования воздуха, обеспечивающих заданную величину температуры в помеще­нии и функционирующих на основе принципа регулирования "по откло­нению", дополнительно устанавливаются т.н. солнечные датчики, дающих сигнал о наличии - отсутствии прямых солнечных лу­чей. При наличии солнца в помещении, система снижает на 2-3° установленное значение температуры, за счет чего повышается комфортность, хотя и без такого датчика система будет оста­ваться работоспособной.

Примером САР на основе принципа регулирования "по возмуще­нию" служит схема введения присадочного порошка (рис.1.5.).Система включает в себя, как составные элементы, два регулятора реализующих принцип регулирования "по отклонению": - регулятор - стабилизатор загрузки бункера весового дозатора, регулятор - стабилизатор загрузки бункера весового дозатора жидкости.

Загрузка в бункер весового дозатора производится ленточным транспортёром из накопительного расходного бункера. В процессе загрузки датчиком веса измеряется вес бункера Р_п, сигнал датчика [Р_п] вычитается из сигнала задатчика веса [Р³_п]. Положи­тельное значение сигнала разницы S является командой для блока управления приводом на включение двигателя транспортера; отри­цательное и нулевое - на отключение. Т.о., загрузка ВДП будет про­исходить до тех пор, пока в бункере не будет заданное значение веса порошка. Аналогичным образом работает регулятор загрузки дозатора жидкости. Подача в бункер ВД будет происходить до тех пор, пока сигнал датчика веса [P_в] и задающий сигнал [Р^к_в] не сравняются. Необходимо заметить, что сигнал [Р^к_в] не является постоянным, его величина зависит от количества порошка в жидкой фазе. Чем меньше концентрация порошка, тем меньше жидкости заливается в дозатор ВДЖ. Непостоянное количество порошка является возмущающим воздействием, парамет­ром регулирования - концентрация, управляющим воз­действием, компенсирующим возмущение - коррекция дозировки через ВДЖ. Определение количества жидкости произво­дится следующим образом: датчик концентрации, установлен­ный в бункере ВДП вырабатывает сигнал [W] несущий информа­цию о фактической концентрации, затем производится перемно­жение сигнала, результат - сигнал [Р^к_в] не­сет информацию о количественном соотношении фаз.

В элементе вычитания А происходит формирование скорректи­рованного сигнала дозировки [Р^к_в], который и является задаю­щим для САР управляющей дозировкой жидкости в ВДЖ.

Такая система регулирования подачи жидкости в ВДЖ реализует принцип регулирования "по отклонению" является лишь элементом (исполнительным устройством) в САР.

Это значит, что системы регулирования могут находиться в подчинении одна у другой, т.е. образовывать иерархические струк­туры САР. При рассмотрении технической стороны, то одним из сложных вопросов при реализации такой системы является оперативное из­мерение концентрации с необходимой точностью. Чаще всего, в качестве датчика концентрации используется емкостный тип датчика. Применительно к рассмат­риваемому случаю его типовая конструкция приведена на рис. 1.6.

Корпус бункера ВДП и измерительный зонд, точнее его открытая часть, совместно образуют электрический конденсатор, межэлектрод­ным материалом которого является порошок. Одна часть зонда рас­полагается в нижней, конической части бункера, где плотность порошка максимальна и стабильна. Верхняя же часть зонда покрыта толстым слоем изоляционного материала, за счет чего верхний рыхлый слой "отодвинут" от электрода зонда и "не участвует" в оценке концентрации. Емкость конденсатора С зависит от размеров конструкции, но, глав­ное, - от величины относительной диэлектрической проницаемос­ти материала ε между электродами. Для большинства сухих сыпу­чих материалов ε находится в диапазоне от 4 до 8 единиц (ε величина безразмерная). Для жидкости величина ε=81 из чего следует, что даже небольшое количество её в материале резко увеличива­ет значение его относительной диэлектрической проницаемости.

Рис. 1.5. Система стабилизации :

ВДП - весовой дозатор порошка; ВДЖ- весовой дозатор жидкости;

БУП - блок управления приводом транспортера загрузки;

ИМ - исполнительный механизм привода запорного клапана;

РБП - расходный бункер подачи порошка;

1-датчик концентрации

2,3 - датчики веса;

4 - задатчик весовой порции по рецептуре;

5- запорный клапан;

6. - задатчик весовой порции;

7. - двигатель привода транспортера

Рис. 1.6. Конструкция емкостного датчика концентрации

Измеряя емкость датчика, можно с достаточной точностью (погрешность составляет 1+1,5%) судить о концентрации.

Подобные системы стабилизации величины концентрации применяются на современных смесительных узлах с высо­ким уровнем автоматизации. В настоящее время, такого рода сис­темы управления строятся исключительно на основе программно управляемых контроллеров (см. лаб. работу №2), объединенных ло­кальной компьютерной сетью, при этом, как правило, решается весь комплекс задач связанных с автоматизацией, в том числе и стабилизация соотношения.

Рассмотренные структурные схемы не следует понимать буквально, как чертеж, как схему конструкции регулятора. Любая структурная схема является графической формой представ­ления алгоритма управления, который может быть реализован как аппаратно, так и программно. На структурных схемах показаны лишь основные, принципиально необходимые действия (преобразования) для достижения поставленной цели управления.

На основе структурной схемы при проектировании САР, стро­ится функциональная схема, в которой подробно, например в виде уравнений, представляются функции составляющих её элементов, что позволяет произвести расчет "качества" процесса регулирова­ния: -точность, быстродействие, степень устойчивости и др. Но это не значит, что структурная схема является лишь необязательным иллюстративным материалом. Она позволяет произвести, как в рас­смотренном выше примере с бульдозером, предварительный анализ поведения разрабатываемой системы.