Глава 1. Общие сведения о системах автоматического управления и регулирования

1.1.Основные понятия и виды

АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

Автоматическое управление представляет собой совокуп­ность воздействий, направленных на осуществление функционирования объекта управления в соответствии с программой и целью управления.

Под объектом управления понимается устройство, в котором под­держивается значение требуемых показателей какого-либо процесса. Фактическое состояние объекта управления определяется одним или не­сколькими рабочими параметрами y_{i ,}называемыми регулируемыми ве­личинами или регулируемыми координатами и определяющими дей­ствия системы регулирования (рис. 1.1).

В реальных условиях на объект управления оказывают влияние внешние воздействия, которые называются возмущениями f_i. В каче­стве регулируемых величин по су­ществу может быть всякая физическая величина, характеризующая регулируемый объект, например, скорость (линейная и вращения), напряжение и ток, линейные и угло­вые перемещения и т.д.

Регулируемые величины y_i опре­деляются управляющими воздействиями U_i(t) на входе объекта управления. Эти воздействия вызывают изменения внутреннего состояния ОУ и как след­ствие - регулируемых рабочих параметров.

Обычно автоматическое управление осуществляется с помощью ав­томатических управляющих устройств без вмешательства человека. Совокупность автоматического управляющего устройства и объекта управления, взаимодействующих между собой, образует систему авто­матического управления (САУ).

Основными видами автоматического управления являются:

1) автоматическое управление с разомкнутой цепью воздействий (жёсткое управление);

2) автоматическое регулирование;

3) автоматическая настройка.

Системы автоматического управления с разомкнутой цепью воздействий обычно называются разомкнутыми. В этих системах выполняется управление по законам; не зависящим от действительного хода производственного

процесса, и выполняется по разомкнутому циклу с целью получения определённого конечного результата (рис, 1.2, а).

Жёсткое задание на входе системы через управляющее устройство УУ и исполнительное устройство (усилитель) ИУ воздействует на объект управления ОУ, на выходе которого устанавливается величина X_вых, соот­ветствующая этому заданию X_вх.

В таких системах ход процесса и выходная регулируемая величина не корректируются (не контролируются), поэтому возможно отклонение его от заданного режима. Управление, используемое в таких системах, называют разомкнутым управлением.

САУ с разомкнутой цепью воздействий применяются для обеспечения определённой последовательности работы различных элементов автома­тических устройств. В более сложных случаях может осуществляться про­граммное управление каким-либо процессом с разомкнутым циклом воз­действий. В качестве примера можно назвать систему управления пуском и торможением двигателей.

В разомкнутых системах управления осуществляется управление по задающему воздействию, которое в общем случае может представлять собой команды программы.

Этот принцип состоит в том, что для уменьшения отклонения регулируе­мой величины от заданного значения, появляющегося в связи с инерционно­стью объекта системы, управляющее воздей­ствие формируется в соответствии с этим воздействием и харак­теристиками объекта управления (рис. 1.2, а).

Управляющее уст­ройство преобразует и усиливает задающее воздействие и выраба­тывает управляющее воздействие u(t).

Управляющее воз­действие с выхода УУ поступает на объект управления ОУ и стре­мится изменить регули­руемую величину X_вых в соответствии с за­дающим воздействием.

Такое управление называют жёстким, т. к. при этом не учитыва­ются действительные значении регулируемой величины и возмущающие воздействия (параметры САУ считаются посто­янными).

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ

в зависимости от способов формирования управляющего воздействия различают следующие принципы управления:

-принцип управления по возмущению,

-принцип управления по отклонению,

-принцип комбинированного управления.

ПРИНЦИП УПРАВЛЕНИЯ ПО ВОЗМУЩЕНИЮ

Уменьшение или устранение отклонения регулируемой величины от требуемого значения, вызываемого влиянием различных возмущений в разомкнутых системах, может быть выполнено применением принципа управления по возмущению, рассмотренного далее. Функциональная схема управления по возмущению дана на рис 1,2, в. Принцип управления по возмущению состоит в том, что для уменьшения или устранения откло­нения регулируемой величины X_вых от заданного значения, измеряется основное возмущающее воздействие F и преобразуется в управляющее воздействие u(t), подаваемое на вход системы с целью компенсации вы­званного возмущением отклонения регулируемой величины. Следова­тельно, в таких системах управляющее воздействие является функцией возмущающего воздействия.

в системах с принципом управления по возмущению для формирова­ния управляющего воздействия u(t) используется непосредственная ин­формация о возмущающем воздействии. Поэтому в этих системах имеет­ся возможность полной компенсации влияния возмущающего воздействия на регулируемую величину X_вых. Степень компенсации влияния возму­щающего воздействия зависит от точности измерения возмущающего воздействия и характеристик ОУ.

Достоинством САР с принципом управления по возмущению является то, что они позволяют полностью компенсировать возмущающее воздей­ствие. Такие САР являются разомкнутыми, поэтому, как в любой разомк­нутой системе, здесь не возникает проблемы устойчивости.

Если в системе действует несколько возмущающих воздействий, все они могут быть скомпенсированы в отдельности таким же образом, если есть возможность их измерения. Но при этом усложняется система. На практике компенсируются лишь возмущающие воздействия, наиболее резко влияю­щие на регулируемую величину и вызывающие значительные её отклонения от требуемого значения. Такие возмущения называют основными. Второ­степенными называют возмущения, вызывающие лишь незначительные отклонения регулируемой величины от заданного значения.

Недостатком таких САР является то, что они устраняют влияние толь­ко основных возмущений. Кроме того, точность регулирования и компен­сация снижаются при изменении характеристик ОУ.

Принцип управления по возмущению применяется в системах, пред­назначенных для поддержания постоянства регулируемой величины.

ПРИНЦИП УПРАВЛЕНИЯ ПО ОТКЛОНЕНИЮ

Автоматическое регулирование характеризуется тем, что функции управления находятся в зависимости от действительного хода производственного процесса с целью поддержания требуемых показателей этого процесса. Контроль и информация о действительных значениях показате­лей этого процесса осуществляются с помощью обратных связей.

В общем случае такая система автоматического регулирований может быть представлена на рис. 1.2, б. В системе используется замкнутое управ­ление (принцип обратной связи или управление по отклонению). От­клонение регулируемой величины представляет собой разность между действительным измеряемым её значением и заданным значением. Обратная разность между заданным и действительным значениями называ­ется ошибкой регулирования. Под управляющим устройством понима­ется техническое устройство, с помощью которого осуществляется авто­матическое управление объектом управления.

Регулируемая величина X_вых определяется задающим воздействием X_вх= X_з на входе системы, т. е. воздействием, вводимым в систему и опреде­ляющим необходимый закон изменения регулируемой величины. На вход системы в элемент сравнения кроме задающего воздействия подается по цепи обратной связи фактическое значение регулируемой величины. На вы­ходе элемента сравнения, т.е. на входе управляющего устройства УУ, появ­ляется отклонение или управляющее воздействие

,

которое обеспечивает изменение регулируемой величины по заданно­му закону.

Управляющее устройство, в зависимости от величины и знака упразд­нения, формирует регулирующее воздействие и. Таким образом, принцип замкнутого управления учитывает не только задание, но и фактическое состояние объекта управления и действующих возмущений. Поэтому данный принцип является наиболее универсальным и позволяет решать успешно задачи управления, несмотря на неопределённость объекта управления и характера возмущений.

Класс таких автоматических систем, построенных на основе принципа замкнутого управления, получил название систем автоматического ре­гулирования (САР). Свойство универсальности таких систем позволяет применять их очень широко в технике и природе.

Обратные связи в замкнутых САР служат для формирования статиче­ских и динамических характеристик системы. Эти характеристики определяются назначением САР и требованиями, предъявляемыми к ней со стороны технологического процесса. Обратные связи контролируют ход процесса и в случае отклонения его от заданного передают корректирующие сигналы на вход системы или на вход группы элементов, охватываемой данной обратной связью.

САР должна иметь хотя бы одну обратную связь, служащую для срав­нения действительного и заданного значений регулируемой величины. Такая обратная связь называется главной. Она соединяет выход системы с её входом, охватывая все основные элементы. Системы, имеющие одну главную обратную связь (ГОС), называются одноконтурными. Некоторые САР кроме главных обратных связей (ГОС), число которых определяется числом (ГОС) регулируемых величин, могут иметь ещё несколько допол­нительных (местных). Дополнительные обратные связи (ДОС) соединяют выход одного или нескольких элементов системы. САР, имеющие кроме главной, ещё одну или несколько дополнительных обратных связей, назы­вают многоконтурными (рис, 1,3).

В зависимости от характера передаваемого воздействия обратные связи делятся на жёсткие и гибкие. Жёсткие обратные связи действуют как в установившемся, так и в переходных режимах. Гибкие обратные связи действуют только в переходных режимах. Средствами осуществле­ния жёстких обратных связей являются различные измерительные уст­ройства - датчики, передающие сигнал на узел сравнения. Средствами осуществления гибких обратных связей являются устройства дифферен­цирования и интегрирования.

По действию на систему обратные связи делятся на положительные и от­рицательные. Положительные, если с увеличением сигнала на выходе управляющий сигнал на входе увеличивается, и отрицательные, если с уве­личением сигнала на выходе управляющий сигнал на входе уменьшается.

Недостатки систем с регулированием по возмущению могут быть уст­ранены при применении систем с комбинированным управлением, в которых регулирование по возмущению сочетается с регулированием по отклонению. В этом случае устраняется влияние на процесс регулирова­ния основного возмущения. Кроме того, благодаря наличию обратной свя­зи по регулируемой величине, ограничивается действие второстепенных возмущений. Иногда эти системы называют разомкнуто-замкнутыми. Они обладают сравнительно высокой точностью поддержания заданной регулируемой величины.

Функциональная схема системы регулирования, обеспечивающей на­стройку и выбор требуемого алгоритма управления в зависимости от изменения условий работы и параметров объекта управления, представлена на рис. 1.4.