1. Основные элементы систем

Объект управления (ОУ) — это устройство или процесс, поведение которого нас не устраивает по каким-либо причинам. Объекты управления характеризуются самовыравниванием, емкостью (аккумулирующая способность) и запаздыванием.

Самовыравниванием (саморегулированием) называется свойство объекта управления при изменении нагрузки приходить к новому установившемуся значению соответствующему новой нагрузке. Примером объекта с самовыравниванием может служить резервуар, в котором сверху поступает жидкость, а снизу через отверстие свободно вытекает. При равенстве притока и расхода жидкости уровень ее остается постоянным. Если приток жидкости увеличивается, то уровень ее будет увеличиваться до тех пор, пока вследствие повышения давления расход не сравняется с притоком, после чего он будет оставаться неизменным.

Если объект лишен самовыравнивания, то при наличии разности между притоком и расходом рабочей среды регулирования величина неограниченно возрастает или уменьшается до нуля. Примером объекта без самовыравнивания может служить резервуар со строго постоянным расходом жидкости. Тогда, если приток жидкости больше расхода, уровень ее неограниченно возрастает, если меньше — уменьшается до нуля. Если приток равен расходу, будет сохраняться неизменным любое значение уровня, при котором это равенство установилось.

Способность объектов к самовыравниванию определяется степенью самовыравнивания. Самовыравнивание облегчает задачу автоматической стабилизации управляемой величины, а в некоторых случаях оно бывает настолько велико, что объект в специальных средствах стабилизации не нуждается.

Емкость объектов регулирования (аккумулирующая способность) — это способность объектов накапливать вещество или энергию (например, уровень жидкости, количество тепла, давление газа, влажность среды, концентрацию растворов и другие параметры, по которым осуществляется автоматическое регулирование объектов). Чем меньше емкость объекта, тем больше скорость регулируемой величины при нарушении равновесия между притоком и расходом вещества или энергии. Мера емкости объекта выражается постоянной времени (инерционным запаздыванием). Емкостью обладают все элементы систем автоматического управления, однако в некоторых случаях их емкостью можно пренебрегать по сравнению с емкостью объектов управления.

Запаздывания наблюдаются во многих объектах регулирования и характеризуются задержкой во времени передачи воздействия от входа на выход. Запаздывания разделяются на передаточные и переходные. Передаточное (транспортное, чистое) запаздывание характеризуется временем, в течение которого регулируемая величина, несмотря на возмущение, все же не изменяется. Переходное запаздывание характеризуется временем, которое потребуется для перехода регулируемого параметра к новому установившемуся значению, соответствующему новому значению воздействия. Сумма времени передаточного и переходного запаздываний называется временем полного запаздывания. Запаздывания, в объектах отрицательно сказываются на качестве регулирования.

Регулятор (корректирующее устройство (КУ), управляющее устройство (УУ)) — это элемент системы, с помощью которого осуществляется формирование управляющего сигнала для объекта управления, и обеспечиваются требуемые характеристики системы в целом.

Чувствительный элемент (датчик) выполняет функции источника информации о действительном значении регулируемой величины.

Элемент сравнения осуществляет сопоставление измеренного и заданного значений регулируемой величины и формирование сигна­ла ошибки (рассогласования).

Иногда требуется введение в систему промежуточных элементов. К ним относятся усилители, обеспечивающие усиление сиг­нала по величине, и преобразователи, осуществляю­щие преобразование сигнала по виду (например, преобразование электрического сопротивления в напряжение).

Отдельные элементы, входящие в состав автоматической систе­мы, определенным образом связаны между собой. Связь, обеспечивающая передачу сигналов между элементами в направлении объек­та управления, называется прямой, а связь выхода объекта управления со входом регулятора называется главной обратной связью системы.

Обратная связь слу­жит для сравнения действительного значения регулируемой вели­чины с заданным. Различают положительную и отрицательную обратные связи. Отрицательная обратная связь обеспечивает вычисление разницы задающего сигнала и сигнала обратной связи. Положительная обратная связь увеличивает рассогласование, т.е., стремится «раскачать» систему. На практике положительная обратная связь применяется, например, в генераторах для поддержания незатухающих электрических колебаний.

Наряду с главной обратной связью в системе могут иметь место местные обратные связи, которые охватывают отдельные элемента или группу элементов. В зависимости от характера действия обратная связь может быть гибкой и жесткой. Жесткая обратная связь действует в установившемся и в переходном режимах работы, а гибкая — только в переходном режиме.

На рис. 1.1 представлена обобщенная схема системы управления.

Рис. 1.1. Обобщенная функциональная схема системы управления

Такая схема называется функциональной схемой, ее элементы называются функциональными звеньями. Звенья изображаются прямоугольниками, в которых записывается функция преобразования входной величины в выходную (рис. 1.2, а).

Рис. 1.2. Функциональные звенья

Величина , подаваемая на второй вход звена, называется возмущением. Она отражает влияние на выходную величину окружающей среды, нагрузки и т.п.

В общем случае функциональное звено может иметь несколько входов и выходов (рис. 1.2, б). Здесь — входные (управляющие) воздействия; — возмущающие воздействия;— выходные величины.

Принцип работы функциональных звеньев может быть различным, поэтому функциональная схема не дает представление о принципе действия конкретной системы, а показывает лишь пути прохождения и способы обработки и преобразования сигналов.

Точки разветвления сигнала называются узлами. Суммирование сигналов осуществляется в сумматоре, вычитание — в сравнивающем устройстве (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Узел, сумматор, сравнивающее устройство