книги из ГПНТБ / Клюев, А. С. Автоматическое регулирование

ределеішому закону, если в технологическом процессе по этому закону должна изменяться регулируемая

величина.

В АСР регулируемая величина сравнивается с за­ дающей величиной в суммирующем устройстве СУ. Зачерненный сектор в графическом изображении сумми­ рующего устройства означает, что входящее в этот сектор воздействие подается с обратным знаком. Благодаря этому при значении регулируемой величины, равном за­ данному, на' вход усилителя системы сигнала не посту­ пает и система находится в равновесии. В случае нера­ венства величины сигнала заданному рассогласование (ошибка) & = g(t)—Хо подается на вход усилителя систе­ мы, которая реагирует иа это таким образом, чтобы рас­ согласование уменьшалось.

Комплекс устройств, присоединяемых к регулируе­ мому объекту и обеспечивающих'автоматическое поддер­ жание заданного значения его регулируемой величины или автоматическое изменение ее по определенному закону, принято называть автоматическим регулятором.

Выход объекта регулирования (регулируемая вели­ чина) воздействует на вход регулятора. Выход регуля­ тора через регулирующий орган воздействует на вход объекта регулирования.

Автоматическое регулирование является частным слу­ чаем более общего понятия автоматического управления.

Автоматическим управлением называется процесс, при котором операции выполняются посредством систе­ мы, функционирующей без вмешательства человека

всоответствии с заранее заданным алгоритмом.

Вобщем случае совокупность управляемого объекта и автоматического управляющего устройства, определен­ ным образом взаимодействующих между собой, принято называть автоматической системой. Автоматическая си­ стема с замкнутой цепью воздействия, -в которой управ­

ляющее (регулирующее) воздействие вырабатывается в результате сравнения истинного значения управляе­ мой (регулируемой) величины с заданным (предписан­ ным) ее значением, называется АСР.

Процесс, посредством которого одну или несколько регулируемых величин приводят в соответствие с их по­ стоянными или изменяющимися по определенному зако­ ну заданными значениями и при этом указанное соот­ ветствие достигается техническими средствами путем

11

совокупность частей. автоматической системы, на кото­ рые она может быть разделена по определенным призна­ кам, и путей передачи воздействий между ними, образу­ ющих автоматическую систему.

Различают алгоритмическую, функциональную и кон­ структивную структуры АСР.

Алгоритмической структурой АСР называется струк­ тура, где каждая часть предназначена для выполнения определенного алгоритма преобразования ее входной величины, являющегося частью алгоритма функциониро­ вания АСР.

В функциональной структуре АСР каждая часть пред­ назначена для выполнения определенной функции.

Под функцией можно понимать как основные функ­ ции автоматического регулирующего устройства—полу­ чение информации, переработка информации, формиро­ вание закона регулирования и т. п. так и более част­ ные— передача сигналов, сравнение сигналов преобра­ зование формы представления информации.

Структура АСР, где каждая часть представляет само­ стоятельное конструктивное целое, называется конструк­ тивной структурой АСР. Структура АСР с той или иной степенью детализации может быть представлена гра­ фически.

Графическое изображение структуры АСР называет­ ся структурной схемой АСР (см. рис. 1-2, 1-4).

Части системы, на которые она разделяется по тем или иным признакам, принято графически изображать в виде прямоугольников с указанием в них условных обозначений представляемых частей системы.

Пути передачи воздействий между частями системы изображают в виде линий со стрелкой в направлении передачи воздействий.

Простейшая составная часть структурной схемы АСР

12

или автоматического устройства, отображающая путь и направление передачи воздействия между частями авто­ матической системы, на которые эта система разделена в соответствии со структурной схемой, называется связью структурной схемы системы.

Связи структурной схемы классифицируются на ос­ новные, дополнительные и дополнительные обратные.

Связь структурной схемы АСР, образуемая основной цепью воздействия между участками этой цепи, назы­ вается основной связью.

Связь структурной схемы АСР, образующая путь передачи воздействий в дополнение к основной цепи воздействий или какому-либу участку, называется допол­ нительной связью.

Дополнительная связь структурной схемы АСР, на-

-правленная от выхода к входу рассматриваемого участ­ ка цепи воздействий, называется дополнительной обрат­ ной связью (или просто обратной связью).

Обратная связь может быть отрицательной или по­

ложительной.

Обратная связь, направленная с выхода системы к ее входу, называется главной обратной связью.

Так как в АСР регулирующее воздействие образует­ ся как результат отклонения регулируемой величины (выход системы) от ее заданного значения (вход систе­ мы), то главная обратная связь является всегда отрица­ тельной (см. рис. 1-7).

Следует отметить, что комплекс устройств, образую­ щих АСР, не является постоянным. Например, некото­ рые элементы в регуляторе могут быть конструктивно объединены или же отсутствовать. Так, в системе на рис. 1-3 реле выполняет роль усилителя, исполнительного механизма и регулирующего органа.

Все отдельно взятые элементы системы обладают направленностью действия, т. е. свойством детектирова­ ния, которое заключается в том, что сигнал проходит только от входа к выходу элемента.

Так. температура объекта в схеме, изображенной на рис. 1-5, определяет сопротивление термометра, но изме­ нение его сопротивления непосредственно не влияет на температуру объекта. Перемещение движка автотранс­ форматора АТ вызывает изменение напряжения на его выходе, но это напряжение не воздействует на движок автотрансформатора.

13

1-2. КЛАССИФИКАЦИЯ АСР

а) Классификация по характеру алгоритма функционирования

По характеру алгоритма функционирования АСР подразделяются на стабилизирующие, программные и следящие.

Стабилизирующей АСР называется система, алгоритм функционирования которой содержит предписание под­ держивать -регулируемую величину на постоянном зна­ чении.

Примером такой АСР являются системы, изображен­ ные на рис. 1-3 II 1-5. Задающее воздействие в стабили­ зирующих АСР имеет постоянное заданное значение.

Программной АСР называется система, алгоритм функционирования которой содержит предписание изме­ нять регулируемую величину в соответствии с заранее заданной функцией. j

Требуемое изменение регулируемой величины по времени (или параметру) обеспечивается в этих систе­ мах изменением задающего воздействия по строго опре­ деленной программе. Например, если необходимо, чтобы температура нагревательной печи после загрузки ее материалами или изделиями медленно поднималась до определенной величины, которая далее выдерживалась бы некоторое время постоянной и затем медленно сни­ жалась, то, чтобы автоматизировать технологический

14

процесс по этому закону, следует менять во времени задающее воздействие на регулятор. Программная систе­ ма регулирования, обеспечивающая требуемый закон изменения регулируемой величины, может быть-вылолне- на, например, по схеме, показанной на рис. 1-8, где дви­ гатель Дг вращает с определенной скоростью через ре­ дуктор Р кулачок К, профиль которого соответствует программе регулирования; кулачок изменяет задающее воздействие в соответствии с этой программой, переме­ щая движок резистора R3.

Следящей АСР называется система, алгоритм функ­ ционирования которой содержит предписание изменять

Простейшей следящей системой является равновес­ ный мост, изображенный на рис. 1-9. Входом системы является перемещение движка резистора R3, а выхо­ дом— перемещение движка резистора R0.c- При сбалан­ сированном измерительном мостике система находится в равновесии. При перемещении движка по любому заранее неизвестному закону нарушается равновесие из­ мерительного мостика и двигатель Д будет перемещать движок резистора R0.c в сторону восстановления этого равновесия. Таким образом, движок резистора R0.о будет повторять все перемещения движка резистора R3-

б) Классификация по другим признакам

Автоматические системы регулирования классифици­ руются также по их способности к самоприспособлению.

Автоматическая система регулирования, в составе которой имеется дополнительное автоматическое уст-

15

ройство, изменяющее алгоритм фупкцпопироваия основ­ ного автоматического регулирующего устройства таким образом, чтобы автоматическая система в целом осу­ ществляла заданный алгоритм функционирования, на­ зывается самоприспосабливающейся АСР.

Таким образом, самоприспосабливающаяся система обладает свойством адаптации, т. е. автоматическо­ го приспособления к непредвиденным изменениям пара­ метров объекта, регулирующих устройств и внешней среды.

Автоматическая система регулирования, в которой регулирующие .воздействия вырабатываются с помощью пробных воздействий автоматического регулирующего устройства на объект и анализа результатов пробных воздействий, называется АСР с пробными воздействиями (или автоматической системой поиска).

Автоматические системы регулирования с пробными воздействиями также часто называют экстремальными автоматическими системами.

Экстремальные системы обеспечивают отыскание и поддержание таких регулирующих воздействий на объект регулирования, при которых регулируемая величи­ на достигает наибольшего (наименьшего) значения. Системы экстремального регулирования целесообразно применять в случаях, когда экстремальный характер за­ висимости регулируемой величины от возмущающих воздействий заранее неизвестен и в связи с этим нет возможности применить обыкновенные, например стаби­ лизирующие, системы.

Поскольку характер экстремальной зависимости регу­ лируемой величины заранее неизвестен, то экстремаль­ ные системы действуют по принципу «поиска». Так, на вход объекта экстремальным регулятором могут пода­ ваться специальные поисковые воздействия, изучаться реакция объекта на эти воздействия и, если при опреде­ ленных воздействиях регулируемая величина приближа­ ется к экстремуму, то в этом направлении на объект по­ даются рабочие регулирующие воздействия. При перехо­ де регулируемой величины через экстремум происходит реверс регулирующего воздействия. После этого система начинает совершать колебательные движения вокруг экстремума. Часто в эсктремальных системах в качестве поисковых используются рабочие регулирующие воздей­ ствия на объект.

16

В зависимости от вида закономерности изменений сигналов в АСР они подразделяются на линейные и не­ линейные.

К линейным АСР относятся системы, характерной особенностью которых является суперпозиция их дви­ жений, т. е. происходящий в линейных системах под влиянием нескольких воздействий процесс определяется суммой процессов, каждый из которых является резуль­ татом только одного воздействия на систему. Процессы в линейных системах математически описываются с до­ статочной точностью линейными дифференциальными уравнениями. .

К нелинейным относятся системы, к которым не при­ меним принцип суперпозиции.

В нелинейных системах связь между входной и вы­ ходной величинами одного или нескольких элементов определяется нелинейными дифференциальными уравне­ ниями, которые с достаточной для практических расчетов точностью не могут быть линеаризованы (см. § 2-1).

Системы, содержащие один замкнутый контур (см. рис. 1-3 и 1-5), называются одноконтурными АСР. Си­ стемы с несколькими замкнутыми контурами называют­ ся многоконтурными.

Поясним необходимость применения многоконтурных систем на примере. В системе, показанной на рис. 1-5, при появлении разбаланса измерительного моста (на­ пример, в результате уменьшения температуры объекта) его можно снова сбалансировать только при достижении заданной температуры. Однако при большой инерцион­ ности объекта восстановление температуры до заданного значения происходит медленно. Поэтому может насту­ пить момент, когда движок автотрансформатора, хотя и будет передвинут двигателем до такого положения, что в объект будет поступать достаточно энергии для восстановления заданного значения температуры, но в силу большой инерционности объекта его температура будет еще меньше заданной. Следовательно, в этот момент измерительный мост еще не будет сбалансирован и

2—196

поддержания заданной температуры; поэтому темпера­ тура будет продолжать повышаться и двигатель будет вновь включен, но уже в сторону уменьшения подачи энергии в объект. Тольйо после нескольких колебаний температуры подача энергии в объект придет в соответ­ ствие с потребностью для поддержания в ней заданной температуры. Во избежание больших колебаний темпе­ ратуры необходимо уменьшать скорость перемещения движка автотрансформатора, но тогда увеличивается инерционность системы в целом, а это в свою очередь при значительных возмущающих воздействиях может снова привести к увеличению колебаний температуры.

т

Рис. 1-10. Типовая структурная схема многоконтур­ ноff АСР.

Для того чтобы увеличить быстродействие системы и в то же время снизить колебания регулируемой величи­ ны, можно дополнителньо соединить двигатель с движ­ ком сопротивления обратной связи R0.с (см. рис. 1-8), которое включено в мостовую схему. Тогда при откло­ нении температуры от заданного значения двигатель Д і изменит количество энергии, подаваемой в объект, пере­ мещая движок автотрансформатора, и одновременно восстановит равновесие измерительного моста, переме­ щая движок резистора R0.c- Поэтому отключение двига­ теля произойдет раньше, чем температура объекта до­ стигнет заданного значения. Таким образом, система на рис. 1-8 содержит два замкнутых контура, определяе­ мых наличием главной и местной МОС обратных свя­ зей (рис. 1-10).

18

В зависимости от числа регулируемых величин систе­ мы подразделяются на одномерные и многомерные.

Одномерной АСР называется система с одной регу­ лируемой величиной.

Многомерными системами называются системы с не­ сколькими регулируемыми величинами.

Многомерные системы в свою очередь подразделяют­ ся на системы несвязанного и связанного 'регулирования.

Системами несвязанного регулирования называются такие, в которых регуляторы непосредственно не свя­ заны и могут взаимодействовать только через общий для них объект регулирования.

Системами связанного регулирования называются си­ стемы, в которых регуляторы различных параметров од­ ного и того же технологического процесса связаны между собой вне объекта регулирования. Если этими связями исключается влияние регулируемых величин друг на друга, система связанного регулирования назы­ вается автономной.

Существует классификация АСР по функциональному назначению, делящая их на системы регулирования тем­ пературы, давления, расхода, уровня, напряжения и т. п.

Возможно также деление систем по виду энергии, используемой для регулирования. Различают электри­ ческие, гидравлические, пневматические, механические и другие системы.

ГЛАВА ВТОРАЯ

СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ, УРАВНЕНИЯ И ПЕРЕДАТОЧНЫЕ ФУНКЦИИ ЗВЕНЬЕВ И СИСТЕМ

2-1. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ И УРАВНЕНИЯ АСР

а) Описание работы автоматической системы

Работу АСР можно описать словесно. Так, в § 1-1 описана работа системы регулирования температуры су­ шильного шкафа. Словесное описание помогает понять принцип действия системы, ее назначение, особенности функционирования и т. д. Однако этот способ не являет­ ся универсальным и, что самое главное, не дает количе­ ственной оценки характеристикам системы и качеству регулирования.

19