3. Основные понятия. Классификация систем автоматического регулирования

С истема автоматического регулирования (САР) предназначена для осуществления процесса управления над объектом управления. Объект управления является составной частью САР. Управляемый процесс характеризуется одной или несколькими физическими величинами, называемыми регулируемыми параметрами (рис.2).

Рис. 2. Система автоматического регулирования уровня воды в баке прямого действия 1-бак (регулируемый объект); 2 - поплавок (измерительный элемент); 3 - заслонка (регулирующий элемент); 4 - задатчик (настройка регулятора путем смешения поплавка 2 вдоль стержня), Н-высота уровня воды (регулируемый параметр); Q_l - приток воды в бак; Q₂ - расход воды из бака

Если в управляемом процессе регулируемые параметры находятся в интервале, требуемом для нормального функционирования объекта, то регулирования не требуется. Задача САР заключается в целенаправленном воздействии на объект управления (ОУ) в том случае, когда проходящий в нем процесс отклоняется от заданного.

САР представляет собой совокупность ОУ и автоматического регулятора. Воздействие на объект управления осуществляет непосредственно автоматический регулятор, который обычно состоит из определенных по функциональной значимости элементов (рис. 3): датчика 1, преобразующе-усилительного устройства 2, суммирующего устройства 3, измерительно-показывающего устройства 4, усилительного устройства 5, исполнительного устройства 6, регулирующего органа 7.

Рис. 3. Функциональная схема системы автоматического регулирования 1-датчик; 2 - усилительно-преобразующее устройство; 3 - сумматор (измерительный элемент); 4 - усилитель; 5 - усилительно-преобразующее устройство; 6 - исполнительный механизм; 7 - регулирующий орган; 8 – задатчик.

В технических системах автоматического регулирования каждый элемент автоматического регулятора выполняет определенные функции (рис. 3).

Датчик (чувствительный элемент) - предназначен для восприятия CAP физической величины, выбранной как регулируемый параметр в объекте регулирования. В некоторых случаях в датчике конструктивно объединены чувствительный элемент и преобразующе-усилительное устройство. Это обычно вызвано необходимостью преобразования в информационном канале сигнала одной физической природы в сигнал другой физической природы с последующим его усилением и линеаризацией с целью сокращения до минимума потери информации в каналах связи, упрощения согласования элементов САР и обеспечения возможности последующему функциональному элементу устойчиво воспринимать направленный от датчика сигнал.

Преобразующе-усилительное устройство предназначено для выполнения указанных функций и обычно находится по каналу прохождения сигнала после чувствительного элемента (датчика).

После соответствующего усиления сигнал сравнивается с однородным по физической сущности сигналом, который представляет собой сигнал - задание и формируется в зависимости от заданных CAP функциональных задач (стабилизации регулируемого параметра, программного изменения во времени или слежения за изменением какой-либо физической величины, не функционирующей в данном контуре регулирования). Элемент CAP, который выполняет вышеуказанные функции, называют суммирующим (вычитающим). Устройство, с помощью которого формируется сигнал - задание, называется задатчиком.

В том случае, когда сигнал - задание и сигнал, пришедший от датчика, не равны между собой, образуется так называемый сигнал рассогласования, который и является побудителем к действию регулятора.

Сигнал рассогласования попадает в преобразующе-усилительное устройство. В соответствии с требуемым качеством регулирования и свойствами объекта управления (ОУ) в преобразующе-усилительном устройстве происходит соответствующее функциональное преобразование сигнала.

При необходимости сигнал усиливается и, затем направляется на исполнительное устройство, которое через регулирующий орган непосредственно воздействует на поток среды или энергии, направляемой в объект регулирования. Это воздействие будет происходить до тех пор, пока сигнал рассогласования не исчезнет, или будет находиться в заданных допустимых пределах.

В состав некоторых автоматических регуляторов не входят такие элементы, как преобразующе–усилительное 2 (см. рис. 3), измерительно-показывающее или усилительное, так как в ряде случаев энергия, необходимая для работы автоматического регулятора, потребляется им не со стороны, а непосредственно от самого объекта управления. Элементный состав автоматического регулятора определяется также рядом других факторов, таких, как промышленная ориентация, универсальность применения, конкретность применения и т.д.

Многообразие систем автоматического регулирования (CAP) требует их классификации. В зависимости от различного рода свойств, присущих CAP, они различаются:

а) по виду регулируемого параметра - САР температуры, давления, уровня, влажности и т. д.;

б) по принципу действия - САР непрерывного, релейного и импульсного действия;

в) по характеру алгоритма функционирования (задания) - CAP стабилизирующие, программные, следящие;

г) по виду используемой энергии рабочей среды в регуляторе и исполнительном устройстве - CAP электрические, пневматические, гидравлические, электрогидравлические и т.п.;

д) по динамическим свойствам - САР быстродействующие, медленнодействующие, статические, астатические и т. п.

Из всех перечисленных свойств CAP наиболее важными являются динамические свойства. Поскольку система автоматического регулирования состоит из ряда взаимосвязанных элементов (звеньев), то ее динамические свойства будут, прежде всего, определяться динамическими свойствами этих элементов.

Разделение CAP на отдельные элементы целесообразно по целому ряду причин. Оно позволяет более экономично осуществлять разработку (синтез) системы автоматического регулирования и ее исследование (анализ). Существуют два подхода к разделению CAP на отдельные элементы.

• Один из них позволяет определить функциональную сущность отдельных элементов CAP, и тогда появляется возможность построить функциональную схему CAP, как, например, на рис. 2.

• Д ругой подход связан с разделением CAP на отдельные элементы, каждый из которых представляет собой математическую модель определенного динамического процесса, происходящего как бы внутри этого элемента. Следует особо отметить, что математическая модель описывает именно процесс регулирования данной, конкретной CAP. Исторически сложилось, что уравнение динамики элемента (звена) должно быть не выше 2-го порядка. Такое ограничение на порядок уравнения динамики вызывает необходимость деления CAP на элементарные динамические звенья, в которых зависимость выходной величины от входной описывается линейным дифференциальным уравнением не выше 2-го порядка (рис.4).

Рис. 4. Представление объекта регулирования в виде элементарных динамических звеньев

1, 2 - элементарные динамические звенья; x₁ - величина входа в объект: x₄-величина выхода из объекта; x₂ - величина выхода звена 1 и входа звена 2·, x₃ - величина выхода звена 2 a₁, a₂, k₁, k₂, - постоянные коэффициенты

Выразив CAP через взаимосвязанные элементарные динамические звенья можно получить ее динамические свойства. Если динамические свойства САР не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к качеству процесса регулирования то можно заменить одни звенья другими или изменять постоянные коэффициенты a₁, a₂, k₁, k₂. Замена и наладка производится до достижения требуемого качества регулирования.

Объект автоматического регулирования (ОУ) может быть выражен как через одно элементарное динамическое звено так и через несколько взаимосвязанных элементарных динамических звеньев. Разбивка объекта автоматического регулирования на элементарные динамические звенья должна быть целесообразной с точки зрения удобства анализа и синтеза CAP.

Если динамические свойства регулятора могут изменяться вследствие его настройки, то объект автоматического регулирования как динамическое звено или набор их в процессе работы CAP остается обычно неизменным. И только в процессе проектирования объекта автоматического регулирования имеется возможность, изменяя конструкцию объекта, активно воздействовать на его динамические свойства в нужном направлении. Именно на стадии проектирования объекта наиболее эффективно можно использовать его математическую модель в виде определенной совокупности элементарных динамических звеньев. При этом исследование объекта автоматического регулирования и всей САР производится, как правило, на ЭВМ.

Необходимо иметь в виду, что соединение между собой отдельных элементарных динамических звеньев должно происходить по правилу: совместимость соединенных между собой в любой последовательности элементарных динамических звеньев возможна только при физической однородности величин, образующих каналы связи этих звеньев.

На рис. 4 показана структурная схема объекта регулирования. В данном случае ОУ представляет собой совокупность динамических звеньев, которая в процессе проектирования CAP может изменяться в зависимости от поставленных задач (от управления теми или иными параметрами). Математическая модель объекта в виде структурной схемы позволяет оперативно осуществлять его исследование с помощью ЭВМ с целью установления заданных динамических свойств и, таким образом, целенаправленного изменения его конструкции.

Следовательно, конструктивные решения ОУ в целом или отдельных их элементов должны вырабатываться исходя не только из задач обеспечения той или иной технологии процесса, но и с учетом их управляемости с помощью средств автоматики.

Игнорирование подобного подхода приводит к созданию машин, аппаратов и процессов, автоматическое управление которыми может оказаться в принципе невозможным, и в конечном счете к неоправданным затратам средств и труда.

Системы автоматического регулирования могут быть замкнутыми или разомкнутыми по цепи передачи сигналов.

В замкнутых CAP осуществляется принцип регулирования по отклонению (принцип Ползунова). В процессе функционирования непрерывно или через определенные промежутки времени на суммирующее устройство поступают сигналы, определяющие величину регулируемого параметра. В разомкнутых САР такая информация отсутствует. Такое регулирование называется регулированием по возмущению (принцип Понселе). Таким образом, разомкнутая CAP не контролирует поведение объекта управления (ОУ), поэтому подобные системы не случайно называют безрефлексными, в то время как замкнутые CAP называют рефлексными, поскольку они непрерывно реагируют на поведение объекта управления (рис 5).

Рис. 5 Функциональные схемы разомкнутой (а) и замкнутой (б) CAP

П римером разомкнутых CAP может быть система, предназначенная для обеспечения, например, заданного теплового режима в помещении в зависимости от температуры наружного воздуха (рис.6). Естественно, такая система менее точно осуществляет управление регулируемого параметра, и поэтому должна использоваться в качестве дополнительной к замкнутой САР.

Рис. 6. Система автоматического регулирования температуры воздуха t_в в помещении в зависимости от температуры наружного воздуха t_н. 1 - датчик температуры, 2 - регулятор. 3 - теплообменник

Замкнутые автоматические системы могут иметь одну или более замкнутых цепей воздействия. В теории автоматического регулирования замкнутые цепи воздействия называют контурами регулирования.

В одноконтурной системе автоматического регулирования имеется одна замкнутая цепь воздействия. В многоконтурной системе имеется более одной замкнутой цепи воздействия (рис.7).

Рассматривая контуры регулирования, необходимо ввести такие понятия, как системы автоматического несвязанного и связанного регулирования.

а) б)

Рис. 7. Многоконтурные системы несвязанного (а) и связанного автоматического регулирования (б)

1-измерительный элемент; 2-задающее устройство; 3-регулятор; 4- исполнительный механизм; 5 - регулирующий орган

В CAP несвязанного регулирования (рис. 7,а) имеются несколько самостоятельных контуров регулирования, каждый по своему параметру, в которых находятся автономно действующие автоматические регуляторы. На практике довольно часто регулируемые параметры связаны между собой в одном регулируемом объекте. При этих условиях изменение одного из регулируемых параметров приводит в действие автоматический регулятор, предназначенный для воздействия на объект управления с целью приведения регулируемого параметра к заданному значению. Действие этого регулятора вызывает изменение всех других регулируемых параметров данного объекта.

В качестве примера такого объекта может быть помещение, в котором регулируются два параметра: температура и влажность. Существует прямая связь между влажностью воздуха в помещении и его температурой.

Во избежание нарушения работы регулируемого объекта автоматические регуляторы связывают между собой через контуры регулирования. В многоконтурной системе связанного автоматического регулирования (рис. 7.б) количество контуров пропорционально количеству выбранных параметров регулирования. Такие CAP применяют при создании комфортных условий в жилых, детских, больничных и зрелищных помещениях, а также в производственных зданиях, к которым предъявляются повышенные санитарно-гигиенические требования. Очевидно, там, где требуется регулировать такие взаимосвязанные параметры, как температура, влажность, подвижность воздуха, заданный тепловой режим, можно обеспечить только с помощью многоконтурной системы связанного автоматического регулирования.

Техническая реализация многоконтурных систем связанного автоматического регулирования значительно упрощается в связи с возможностью применения в качестве регулятора интегрального по функциональным возможностям микропроцессорного устройства (контроллера). Современные микропроцессоры позволяют на базе одного устройства осуществлять взаимосвязанное автоматическое регулирование по десяткам, а в ряде случаев - сотням параметров.

Наиболее сложными при реализации этой задачи являются разработка алгоритма заданного режима автоматического управления и дальнейшее программное обеспечение микропроцессора с целью его использования как многорегуляторного устройства. Следует отметить, что применение микропроцессоров в промышленных системах автоматического регулирования возможно только при наличии технического интерфейса, т. е. определенной по электротехническим требованиям связи датчиков и исполнительных устройств с микропроцессором. В связи с этим предъявляются определенные требования к характеристикам серийно выпускаемых промышленностью датчиков и исполнительных устройств, а также к каналам связи, обеспечивающим прохождение информации, направленной как к микропроцессору, так и от него.

ЛЕКЦИЯ№2