Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы и элементы теории автоматического регулирования напряжения в тяговом электроснабжении. Учебное пособие
.pdf
Требуемую зависимость (3.1) можно осуществить без участия человека-оператора, если убрать указательный прибор со стрелкой и
передвигать движок реостата под действием напряжения U с помощью небольшого следящего привода. Тогда термопара и питающийся
от нее привод (рис. 3.3) будут автоматически осуществлять заданную
зависимость (3.1) и выполнять так называемый «закон регулирования по отклонению» в его простейшем виде, где К = tgα неизменен,
т. е. является постоянной величиной.
Привод Реостат
(вход)
Рис. 3.3. Функциональная схема системы автоматического регулирования
U
Обратная связь
S
Термопара
температуры электропечи
r
Электро -
печь для
закалки
металла
θ
(выход)
Как в случае ручного регулирования, так и при автоматическом
регулировании термопара является обратной связью между выходом
(θ температурой печи) и входом U в привод. При ручном регулировании входной сигнал подается на указательный прибор со стрелкой,
а при автоматическом — непосредственно на привод.
Система автоматического регулирования, представленная на рис. 3.3,
обладает двумя недостатками. Первый недостаток заключается
в том, что выходная электрическая мощность термопары настолько мала, что ее недостаточно для управления электроприводом —
необходим усилитель мощности. Второй недостаток состоит в том,
что для получения различных значений температуры электропечи
требуется устройство изменения коэффициента К = tgα: неизменного, например, по времени — стабилизация температуры на определенном уровне; изменяющегося во времени или при достижении
других условий — система программного регулирования.
Схема системы автоматического регулирования, учитывающая
недостатки системы на рис. 3.3, представлена на рис. 3.4.
41
Источник
энергии
электропечи
Источник
энергии
привода
тель
(отклонение)
+
Задатчик или программное
устройство
Привод Реостат
UUU −±=∆
(вход)
U
з
з
U
S
Термо-
пара
(Обратная связь)
IУсили-
θ
(выход)
Электропечь для
закалки
металла
Рис. 3.4. Схема системы автоматического регулирования по отклонению
Выходная регулируемая величина θ подается через датчик — чувствительный элемент (термопара) на вход вычислительного устройства (элемент сравнения и усилитель), куда подается также от
задатчика или от программного устройства задающий сигнал Uз, определяющий значение требуемой выходной регулируемой величины θ.
Рассогласование между U и Uз (величина отклонения в плюсовую или минусовую сторону от Uз ) подается через усилитель вычислительного устройства на исполнительное устройство — регулируемый орган (привод и реостат) и далее на объект регулирования
(электропечь).
Для всех систем автоматического регулирования, независимо от
назначения, используемой энергии и конструкции, применима единая функциональная схема системы автоматического регулирования,
приведенная на рис. 3.5.
Помимо управляющего воздействия Uв, к объекту приложено также возмущающее воздействие F (возмущение, помеха), которое препятствует регулированию. На вход устройства регулирования УР в
системах САР подается задающее воздействие хз, содержащее информацию о требуемом значении У, т. е. о цели регулирования.
В зависимости от характера задающего воздействия, системы САР
делятся на три вида: системы стабилизации, системы программного
управления и следящие системы.
В системах стабилизации х
— постоянно, в системах программно-
з
го регулирования оно изменяется по заранее заданному закону. В сле-
42
дящих системах оно тоже изменяется, но закон изменения заранее
в
неизвестен и задается извне, и задачей системы является обеспечение
слежения выходной величиной объекта за изменяющейся задающей
величиной так, чтобы все время поддерживалось равенство У = хз.
Регулятор (Р)
Усилительно-
преобразователь-
ное устройство
Вычисли-
тельное
устройство
+
Задатчик или программное
устройство
Устройство регулирования УР
регулируемое
устройство
'
X x−±=∆
У
з
Измеритель-
'
У
-
x
з
устройство -
Исполни-
тельное
(ИРУ)
ное
датчик
U
в
Объект
регули-
рования
У
(ОР)
Возму-
щающие
воздействия F
Рис. 3.5. Функциональная схема системы автоматического регулирования,
построенной по принципу отклонения
В общем виде система автоматического регулирования САР представлена на рис. 3.6.
а
x
з
УР
F
U
ОР
У
б
ИУ
ВУ
ИРУ
с
УР
F
ОР
У
U
в
Рис. 3.6. Блок-схема (а) и функциональная схема (б) системы
автоматического регулирования: ОР — объект регулирования;
УР — устройство регулирования; U
поступающее от устройства регулирования на вход объекта
— управляющее воздействие,
в
43
Как показано на рис. 3.6, а, в самом общем случае на вход устройства регулирования УР, помимо задающего воздействия хз, поступает также информация о текущем состоянии объекта в виде выходной
величины У и о действующем на объект возмущении F. УР перерабатывает получаемую информацию по определенному заложенному
в нем алгоритму (закону). В результате на его выходе возникает регулирующее воздействие Uв.
На рис. 3.6, б изображена функциональная схема САР, на которой
показаны основные составные части УР: измерительные устройства
ИУ, вычислительное устройство с усилителем ВУс и исполнительное
регулируемое устройство ИРУ. Совместные измерительные устройства ИУ и вычислительные устройства с усилителем ВУс называются в САР регулирующим устройством — регулятором.
ИУ — (измерительные устройства, датчики) служат для измерения подаваемых на УР воздействий — сигналов У, хз, F.
ВУс — реализует закон работы устройства регулирования УР.
В простейшем случае оно осуществляет простые математические операции, такие как операция сравнения, определяющая разность хз —
У', операции интегрирования, дифференцирования, статического
нелинейного преобразования и т. п. с усилителем. В более сложных
схемах ВУс может представлять ЦВМ и даже комплекс таких машин.
ИРУ предназначены для непосредственного регулирования.
Помимо перечисленных выше частей, в состав устройства регулирования могут входить различные специальные устройства, например преобразователи, служащие для согласования отдельных частей
схемы, устройства связи и т. п.
Если на вход УР подается хз и У, то такая система, схема которой
показана на рис. 3.5, построена по принципу отклонения и называется замкнутой САР.
К разомкнутым САР относятся системы программного регулирования (на вход УР подается только хз ) и системы компенсации (на
вход УР подается сигнал F). Если на вход УР подается одновременно
хз, F и У, то такая САР называется комбинированной системой (под-
робная классификация рассматривается в разделе 3.3).
44
Система автоматического регулирования (САР) является частным
случаем систем автоматического управления САУ. Поэтому классификацию систем САР представим в более общем виде, как систем автоматического управления.
Системы автоматического управления САУ, применяемые в современной технике, весьма разнообразны. Быстрое развитие и расширение автоматических систем, ставшее возможным благодаря внедрению электронных управляющих машин, увеличивает число классов
этих систем. Дать законченную подробную классификацию САУ
практически невозможно.
Всякая классификация основана на определенных классификационных признаках. Удобным (с точки зрения общности САУ) классификационным признаком является используемая информация об
управляемом процессе или системе. Информацией называется любая
совокупность сведений, первичным источником которого является опыт.
Различают два вида информации: начальная (априорная) и рабочая.
Начальная информация — совокупность сведений об управляемом процессе и управляемой системе, необходимых для функционирования данной системы и имеющаяся в нашем распоряжении до
начала функционирования системы.
Например, необходимо знать зависимость напряжения синхронного генератора в зависимости от тока возбуждения Uг = f (iв) в установившихся и переходных режимах.
Для обеспечения высокой точности управления потребуется большое количество начальной информации. Для систем, в которых регулируемая величина (процесс) не подвергается измерению, необходимо детально точное знание характеристики управляемого процесса.
Такая начальная информация называется полной. САУ с необходимой полной начальной информацией образуют наиболее широкий, старый, детально разработанный класс систем — обыкновенные системы.
Системы с неполной необходимой начальной информацией
(обеспечивающей функционирование САУ) образуют новый быстроразвивающийся класс систем — самонастраивающихся систем:
45
системы экстремального регулирования, САУ с самонастраивающи-
Д
Г
Нагрузка
УЗГ
ОВ
п
мися корректирующими устройствами, самооптимизирующиеся САУ.
Вторым классификационным признаком является рабочая информация. Рабочая информация — это совокупность сведений
о состоянии процесса, используемых в самом процессе. Передается
в виде сигналов — физических величин, несущих информацию.
В дальнейшем рассмотрению подлежат обыкновенные системы
автоматического управления (регулирования).
В схеме САР, изображенной на рис. 3.6, на вход устройства регулирования УР поступают три вида рабочей информации: хз, F, У. Однако
возможны САР, в которых используется лишь часть этой информации.
По виду рабочей информации обыкновенные САР подразделяются на два основных типа: разомкнутые системы и замкнутые системы.
В разомкнутых САР выходная величина объекта У не измеряется.
Возможны разомкнутые САР, в которых в УР вводятся одно хз, либо
F или оба эти сигнала одновременно.
В первом варианте разомкнутой САР управление осуществляется по задающему воздействию хз.
Примером системы этого типа служит разомкнутая система программного регулирования напряжением синхронного генератора,
изображенная на рис. 3.7.
Рис. 3.7. Схема разомкнутой системы автоматического регулирования
напряжения синхронного генератора по задающему воздействию
46
Выходная величина объекта управления (Г) — напряжение гене-
Д
Г
Нагрузка
ОВ
R
ТТ
В
=
п
ратора — определяется напряжением возбуждения, подаваемым на
ОВ от устройства задания графика напряжения (УЗГ). Напряжение
возбуждения автоматически изменяется во времени в соответствии
с заложенной УЗГ программой.
Точность соответствия между У и хз определяется постоянством параметров системы и возмущений и никак не контролируется.
В действительности в такой системе У может значительно отличаться от хз вследствие изменения величины нагрузки Г, скорости вращения п, температуры обмоток генератора.
Вторым вариантом разомкнутой САР является система автоматического регулирования по возмущению*, или, как ее называют, система компенсации. Такие системы нашли применение, когда требуется поддержание выходной управляемой величины У постоянной.
На рис. 3.8 в качестве примера показана система стабилизации напряжения синхронного генератора при переменной электрической
нагрузке на его зажимах.
Рис. 3.8. Схема разомкнутой системы автоматического регулирования
напряжением синхронного генератора с компенсацией по возмущению
При повышении тока нагрузки напряжение генератора снижается.
Однако, благодаря сигналу по току нагрузки от ИУ (трансформаторов тока), ток возбуждения генератора увеличивается настолько, что
в результате напряжение генератора возвращается к своему исходному состоянию. Таким образом, происходит компенсация влияния
* Принцип регулирования по возмущению был предложен французским ученым Пон-
селе и впервые реализован русским электротехником В. Н. Чиколевым во второй половине XIX века в регуляторах силы света дуговых ламп.
47
изменения нагрузки на Uг и обеспечивается поддержание напряже-
Д
Г
Нагрузка
ОВ
R
В
У
с
ТН
U
з
R
з
|
'
г
U- зU| = U ±∆
=
=
ИН
п
ния на постоянном уровне в условиях переменной нагрузки.
Система управления по задающему хз и по возмущающему F воздействием является наиболее полным видом разомкнутой САР. Примером такой системы может служить система, в которой объединены оба предыдущих варианта разомкнутых систем.
Принцип компенсации возмущения позволяет существенно повысить точность управления в разомкнутых САР. Однако все же эта
точность остается не высокой, во-первых, вследствие невозможности охватить компенсацией все возмущения, действующие на систему
(в том числе и на управляющее устройство), и во-вторых, из-за изменения во времени параметров объекта и управляющего устройства.
В силу изложенного разомкнутые САР нашли применение только
при невысоких требованиях к точности управления.
В замкнутых САР на вход УР подаются хз и У. В такой системе УР
стремится ликвидировать все отклонения У от его значения, определяемого заданием хз, независимо от причин, вызвавших эти отклонения, включая любые возмущения, внешние и внутренние помехи,
а также изменения параметров схемы. Эти системы могут обеспечить
принципиально неограниченную точность управления и представляют собой основной тип САР.
На рис. 3.9 показана в качестве примера замкнутая система управления напряжением синхронного генератора.
Рис. 3.9. Схема замкнутой системы автоматического регулирования
напряжения синхронного генератора: ИН — измеритель напряжения,
Ус — усилитель
48
Когда Uг = Uз, сигнал ∆U на входе усилителя Ус равен нулю. Если
по какой-либо причине, например вследствие изменения нагрузки
генератора или скорости его вращения, Uг изменится, на входе усилителя появится напряжение ∆U соответствующей величины и знака. В результате на выходе усилителя возникает напряжение, которое изменит ток возбуждения генератора, что приведет к возврату
напряжения генератора к исходному значению.
Как видно из рис. 3.9, САР такого типа представляют собой замкнутый контур, образованный объектом управления и управляющим устройством. При этом измерительное устройство ИУ (измеритель напряжения ИН) создает обратную связь, связывая выход
объекта управления ОУ устройства УУ. Замкнутые САР называют
еще системами с обратной связью, или системами автоматического
управления по отклонению*.
Возможный вид процесса изменения напряжения генератора Uг,
вызванного скачком сопротивления нагрузки Rн, показан на рис. 3.10.
Если в схеме на рис. 3.9 вместо делителя напряжения Rз поставить
устройство задания графика напряжения (УЗГ) (рис. 3.7), получится замкнутая система программного управления напряжением генератора.
U
г
I
н
Рис. 3.10. Переходный процесс изменения напряжения генератора
в замкнутой САУ
Комбинированные САР представляют собой объединение в одну
систему замкнутой системы управления по отклонению и разомкнутой системы управления по внешнему воздействию. Показанная на
рис. 3.11 схема является схемой такой комбинированной САР.
*Принцип регулирования по отклонению был впервые использован И. И. Ползуновым в 1765 г. в регуляторе уровня воды для котла изобретенной им паровой машины. В 1784 г. этот же принцип использовал Дж. Уатт в регуляторе частоты вращения вала паровой машины.
49
Д
ОВ1
Г Нагрузка
ОВ2
В
Ус
R
=
Рис. 3.11. Схема комбинированной системы автоматического
регулирования напряжения синхронного генератора
ИУ
U
з
R
з
=
Добавление к замкнутой системе разомкнутой системы компенсации влияния на выходную величину объекта какого-либо возмущения облегчает задачу замкнутой САР и тем самым позволяет упростить ее и повысить точность управления.
Системы автоматического регулирования должны удовлетворять
целому ряду требований общетехнического характера, к которым относятся надежность, помехозащищенность, технологичность конструкции, удобство эксплуатации, минимальная стоимость, заданные вес и габариты.
Кроме общетехнических требований, к системам САР предъявляются другие требования, связанные со спецификой задач, решаемых такими системами.
При рассмотрении процессов в САР важное значение имеют следующие требования, предъявляемые к САР: точность управления,
устойчивость системы и качество переходного процесса управления.
Как всякие динамические системы, системы регулирования могут работать в двух основных режимах: установившемся и неустановившемся. Неустановившийся режим работы САР часто называется переходным, или динамическим режимом. Он может быть
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]