1.3. Основные понятия и определения

1.3.1. Принципы и основы построения сар

Под автоматическим управлением понимают поддержание постоянного значения или изменения по требуемому закону какой-либо величины, характеризующей данный процесс. Этих величин может быть несколько. Частный случай управления - регулирование, при котором стабилизируется один или несколько параметров заданных величин.

Регулируемыми параметрами называются параметры объекта управления (ОУ), которые подлежат изменению по требуемому закону или стабилизации (частота генератора, угловая скорость турбины и т.д.). Устройство, предназначенное для автоматического поддержания заданного значения параметров или изменяющее параметры по требуемому закону, называют автоматическим регулятором (АР).

Принцип действия всякого автоматического регулятора заключается в том, чтобы обнаружить отклонение величин, характеризующих функционирование объекта или протекание процесса от требуемых законов их изменения, и при этом воздействовать на объект или процесс так, чтобы устранить эти отклонения.

Таким образом, любую систему автоматического регулирования (САР) можно представить в виде совокупности объекта управления и автоматического регулятора (управляющего устройства), взаимодействие которых приводит к выполнению поставленной цели.

Один из первых в истории техники автоматических регуляторов был изобретен И. И. Ползуновым в 1765 г. Это был автоматический регулятор уровня воды в котле его паровой машины (рис.1.1). Здесь полностью осу­ществлен общий принцип действия любого автоматического регулятора пря­мого действия. Измерительное устройство (поплавок), измеряющее регулируемую величину (высоту уровня воды в котле), непосредственно пере­мещает регулирующий орган (клапан питания котла водой). Котел является регулируемым объектом.

Изменение величины отбора пара из котла в паровую машину является основным возмущающим воздействием на регулируемый объект. Если отбор пара увеличится, испарение воды ускорится, уровень воды Н (регулируемая величина) начнет уменьшаться. Тогда поплавок, опускаясь, будет шире открывать регулирующий клапан, усилится приток питающей воды, и уро­вень ее будет автоматически восстанавливаться. Кроме изменения отбора пара, возмущающее воздействие на объект будет проявляться также и в изменении условий теплового режима работы котла (интенсивность топки, температура питающей воды и окружающего пространства). Регулятор во всех случаях будет действовать так, чтобы ликвидировать нежелательное отклонение уровня воды, по каким бы причинам оно ни возникало.

Рис.1.1. Автоматический регулятор уровня воды в котле паровой машины

Следующим в истории техники автоматическим регулятором, получив­шим широкое распространение, был центробежный регулятор скорости вращения вала паровой машины, изобретенный Уаттом в 1784 г. Этот регулятор имеет другую конструкцию и другую природу регулируемой величины (угловая скорость ω), но совершенно тот же общий принцип действия регулятора прямого действия (рис.1.2). Измерительное устройство регу­лятора (центробежный меха­низм) реагирует на изменение регулируемой величины ω. Так, если угловая скорость вала ω увеличивается, шары центро­бежного механизма расходятся, муфта поднимается и переме­щает непосредственно регули­рующий орган (например, за­слонку в трубе питания машины паром). Это изменяет приток энергии в машину, чем автома­тически уничтожается нежела­тельное отклонение угловой ско­рости.

Рис.1.2. Центробежный регулятор скорости вращения

вала паровой машины Уатта

Основным возмущающим воздействием на регулируемый объект здесь является измене­ние нагрузки на валу паровой машины. Кроме этого может иметь место в другое возмущающее воздействие в виде нарушения нормальных параметров пара в трубе питания машины. Регулятор гасит влияние любого воздей­ствия (в определенных пределах), стремясь все время ликвидировать откло­нение, по какой бы причине оно ни возникало.

Системы автоматического управления делятся на незамкнутые и замкнутые автоматические системы.

Особенностью незамкнутых САР является то, что процесс работы системы не зависит от результата ее воздействия на управляемый объект.

Структурная схема незамкнутой САР представлена на рис.1.3.

управляющее регулирующее выходная

воздействие воздействие величина

нет обратной связи

Рис.1.3. Структурная схема незамкнутой САР

Естественным дальнейшим усовершенствованием автоматической системы является замыкание ее выхода (контрольные приборы) со входом (источник воздействия) таким образом, чтобы контрольные приборы, измерив некоторые величины, характеризующие определенный процесс в объекте управления, сами служили бы одновременно и источником воздействия на систему, причем величина этого воздействия зависела бы от того, насколько отличаются измеренные величины на управляемом объекте от требуемых значений.

Таким образом, возникает замкнутая автоматическая система. В наиболее компактной форме она представлена на рис.1.4.

сумматор регулирующее выходная

- воздействие величина

сигнал главной обратной связи

Рис.1.4. Структурная схема замкнутой САР

Зачерненный сектор сумматора указывает на реализацию обратной связи. В замкнутой САР обратная связь должна всегда быть отрицательной, т.к. сигнал ошибки формируется как разность между требуемым и фактическим значением регулируемой (выходной) величины. Сигнал, который поступает с выхода системы на ее вход, называют сигналом главной обратной связи.

Рассмотрим в качестве примера два варианта автоматического регулирования частоты вращения вала нагруженного электродвигателя (рис.1.5).

Рис. 1.5. Принципиальные схемы автоматического регулирования частоты вращения электродвигателя:

а) разомкнутая система (без обратной связи);

б) замкнутая система (с обратной связью).

На этих схемах:

Объект регулирования (ОР) - электродвигатель.

Регулируемая переменная - частота вращения вала электродвигателя.

Управляющее воздействие - перемещение движка потенциометра.

Регулирующее воздействие (обратная связь) - напряжение тахогенератора.

В обеих схемах входным управляющим воздействием является перемещение движка потенциометра (П).

В разомкнутой системе (рис. 1.5 а) напряжение с потенциометра U_п подается на усилитель (У), к выходным клеммам которого подключена обмотка якоря электродвигателя. Ток в обмотке якоря зависит от положения движка потенциометра. В зависимости от величины тока в обмотке якоря электродвигателя устанавливается соответствующая этому току частота вращения двигателя. Частота вращения вала  электродвигателя контролируется при помощи тахогенератора (ТГ) и вольтметра V, но результаты этого контроля не используются в процессе управления, то есть налицо принцип управления по разомкнутому циклу (без обратной связи).

Для установления соответствия между входом (положением движка потенциометра) и выходом (частотой вращения вала) система должна быть тщательно отградуирована. Однако конкретная градуировка справедлива только при постоянных значениях механической нагрузки на валу электродвигателя, постоянном напряжении на обмотке возбуждения электродвигателя U_вд . Кроме того, градуировка нарушается при изменении температуры, износа и старения элементов. Отсюда недостаток данной системы: невысокая точность управления. Этот недостаток характерен для всех разомкнутых САР.

Замкнутая САР, представленная на (рис.1.5 б), отличается от рассмотренной выше разомкнутой САР тем, что выходное напряжение ТГ сравнивается с напряжением, снимаемым с потенциометра. В этом случае говорят, что в системе реализована отрицательная обратная связь, а ТГ в рассматриваемой системе выполняет роль датчика обратной связи.

Перемещая движок потенциометра, задают необходимую частоту вращения электродвигателя. При этом на усилитель подается напряжение:

U = U_п - U_тг

В установившемся режиме работы U = Const., а электродвигатель вращается с требуемой (заданной) частотой вращения. Если по какой-либо причине частота вращения двигателя изменится, возникнет сигнал ошибки U, подаваемый на усилитель, и частота вращения двигателя восстановится автоматически.

САР с отрицательной обратной связью характеризуются тем, что они менее чувствительны к изменениям параметров устройств управления и действию внешних возмущений (в рассматриваемом случае к величине внешней нагрузки на валу двигателя), обеспечивая при этом высокую точность управления.

Следует отметить, что изменения регулируемых величин вызывают не только управляющие, но и возмущающие воздействия, приложенные к САУ. Возмущающим воздействием называют всякое воздействие, которое стремится нарушить управляющую связь между управляющим воздействием и регулируемыми величинами, и может быть приложено к любой точке САУ.

Замкнутая САР по существу представляет собой фильтр, который достаточно точно воспроизводит управляющее воздействие и подавляет возмущающие воздействия.

Системой автоматического управления называется динамическая система, стремящаяся сохранить в допустимых пределах отклонение между требуемым и фактическим значениями регулируемой величины, при помощи их сравнения на основе принципа обратной связи и использования получающегося при этом сигнала рассогласования для управления источником энергии.