1.2 Сравнительный анализ современных систем автоматического регулирования

В зависимости от характера изменения управляющего воздействия системы автоматического регулирования могут быть подразделены на следующие три основных класса: автоматической стабилизации, программного ре­гулирования и следящие системы.

В системах автоматической стабилизации, или собственно в си­стемах автоматического регулирования, управляющие воздействия представляют собой заданные постоянные величины.

В си­стемах программного регулирования задающие воздействия яв­ляются известными функциями времени (изменяются по программе);

В следящих системах задающие воздействия представляют собой заранее неизвестные функции времени.

Прямое и непрямое регулирование.

Всякая система автоматического регулирования состоит из объекта регулирования и регулятора. Регу­лятор имеет чувствительный элемент, который измеряет отклонение регулируемой величины от требуемого закона изменения. Чувстви­тельный элемент воздействует на регулирующий орган, изменяющий параметр таким образом, чтобы значение регулируемой величины стало равно заданному. В простейших регуляторах чувствительный элемент непосредственно осуществляет перемещение регулирующего органа. Такие системы автоматического регулирования, где чувствительный элемент воздействует непо­средственно на изменение положения регулирующего органа, назы­ваются системами прямого регулирования, а регуляторы – регуля­торами прямого действия. В этих регуляторах энер­гия, необходимая для изменения положения регулирующего органа, поступает непосредственно от чувствительного элемента. Следует отметить, что реакция регулирующего органа на чувствительный элемент снижает чувствительность этого элемента, в результате чего ухудшается качество регулирования.

В системах непрямого регулирования для перемещения регули­рующего органа используются вспомогательные устройства, кото­рые работают от дополнительного источника энергии. При этом чув­ствительный элемент воздействует на управляющий орган вспомога­тельного устройства, а вспомогательное устройство осуществляет перемещение регулирующего органа.

Системы непрямого регулирования необходимо применять в тех случаях, когда мощность чувствительного элемента недостаточна для перемещения регулирующего органа и необходимо иметь высо­кую чувствительность измерительного элемента.

Одноконтурные и многоконтурные системы автоматического регулирования

Современные системы автоматического регулирования, помимо главных обратных связей, часто имеют местные обратные связи или параллельные корректирующие устройства. Системы автоматического регулирования с одной регулируемой величиной, имеющие только одну главную обратную связь и не имеющие местных обратных связей (системы с одним контуром регулирования), называют одноконтурными. В этих системах воздействие, приложенное к какой-либо точке системы, может обойти систему и вернуться в первоначальную точку, следуя только по одному пути обхода.

Системы автоматического регулирования, которые помимо одного контура главной обратной связи имеют еще главные обратные связи или местные обратные связи, называют многоконтурными. В многоконтурных системах воздейст­вие, приложенное к какой-либо точке, может обойти систему и вер­нуться в эту точку, следуя по не­скольким различным путям обхода.

Системы несвязанного и свя­занного автоматического регули­рования. Системы с несколькими регулируемыми величинами подразделить на системы несвязанного и связанного регулирования. Системами несвязанного регу­лирования называют такие, в кото­рых регуляторы, предназначенные для регулирования различных величин, не связаны друг с другом и могут взаимодействовать через общий объект регулирования. Систе­мы несвязанного регулирования можно подразделить на зависимые и независимые.

В зависимых системах несвязанного регулирования на изменение одной из регулируемых величин влияют изменения остальных. Поэтому в таких системах процессы регулирования различных ре­гулируемых параметров нельзя рассматривать изолированно друг от друга.

Примером зависимой системы несвязанного регулирования яв­ляется самолет с автопилотом, который имеет самостоятельные ка­налы управления рулями. Предположим, что самолет отклонился от заданного курса. При этом автопилот вызовет отклонение руля поворота. При возвращении к заданному курсу угловые скорости обеих несущих поверхностей самолета, а следовательно, и действую­щие на них подъемные силы будут неодинаковыми. Это вызовет крен самолета. Автопилот отклонит элероны. В результате отклонения руля поворота и элеронов лобовое сопротивление самолета возрастает. Самолет начинает терять высоту и его продольная ось отклонится от горизонтали. При этом автопилот отклонит руль высоты. Таким об­разом, процессы регулирования трех регулируемых величин – курса, бокового крена и тангажа нельзя считать независимыми друг от друга, несмотря на наличие самостоятельных каналов управле­ния.

В независимых системах несвязанного регулирования изменение каждой из регулируемых величин не зависит от изменения остальных. Поэтому процессы регулирования различных величин можно рас­сматривать изолированно друг от друга.

В системах связанного регулирования регуляторы различных величин имеют друг с другом взаимные связи, которые осуществляют взаимодействие между ними вне объекта регулирования.

Статическое и астатическое регулирование.

Системы автоматического регулирования подразделяются на статические и астатические в зависимости от того, имеют они или нет ошибку в установившемся состоянии при определенного рода воздействиях.

На рисунке 3 приведена схема статической САР уровня воды в резервуаре

с помощью поплавкового регулятора. Следует отме­тить, что такая система является системой прямого регулирования. Поплавок в ней жестко связан с регулирующим органом-задвижкой, которая изменяет количество воды, поступающей в единицу времени по питающей трубе в резервуар. Такая система – пример статиче­ского регулирования, при котором регулируемая величина при раз­ных, но постоянных внешних воздействиях на объект по окончании переходного процесса принимает различные значения, зависящие от величины внешнего воздействия (нагрузки). Чем значительней рас­ход жидкости а, в системе, тем больше открыта задвижка и, следова­тельно, тем ниже в состоянии равновесия будет находиться поплавок.

Рисунок 3. Статическая САР. Рисунок 4. Астатическая САР.

Характерные особенности статической системы регулирования: равновесие системы статического регулирования может быть при различных значениях регулируемой величины; каждому значению регулируемой величины соответствует един­ственное определенное значение регулирующего органа; контур регулирования системы должен состоять из статических звеньев.

В схему системы автоматического регулирования уровня жидкости (рисунок 4) включен электродви­гатель постоянного тока. В ней при увеличении (уменьшении) рас­хода жидкости поплавок (чувствительный элемент) опускается (под­нимается) и замыкает верхний (нижний) контакт. При этом электро­двигатель начинает вращаться в таком направлении, чтобы поднять (опустить) задвижку – регулирующий орган и увеличить (умень­шить) приток жидкости. Такая схема – пример астатического регу­лирования, когда при различных постоянных значениях внешнего воздействия на объект отклонение регулируемой величины от требуе­мого значения по окончании переходного процесса становится рав­ным нулю. Степень открытия заслонки зависит от расхода жид­кости, а поплавок при заданном значении уровня занимает одно опре­деленное положение, равное заданному. Связать поплавок и заслон­ку следует таким образом, чтобы одному положению поплавка могло соответствовать любое положение заслонки.

Характерные особенности астатической системы регулирования:

- равновесие системы астатического регулирования имеет место при единственном значении регулируемой величины, равном задан­ному;

- регулирующий орган в астатической системе должен иметь воз­можность занимать различные положения при одном и том же зна­чении регулируемой величины.

В реальных астатических системах первое условие выполняется с некоторой погрешностью, так как чувствительный элемент обладает разрешающей способностью (нечувствительностью). Для осущест­вления указанной связи между чувствительным элементом и регулирующим органом в контур регулирования должно быть введено астатическое звено. В данном случае таким звеном является электро­двигатель. При отсутствии напряжения вал электродвигателя непо­движен в любом положении, при наличии напряжения он непрерывно вращается. Астатическое звено находится в состоянии безразлич­ного равновесия при отсутствии на него внешнего воздействия и выходит из равновесия при наличии воздействия.

Следует различать системы статические и астатические по отно­шению к возмущающему и управляющему воздействиям. В системах, статических по отношению к возмущающим воздействиям, не одина­ковым по постоянной величине, возмущающим воздействиям соот­ветствует различное значение регулируемой величины. В астати­ческих системах по отношению к возмущающим воздействиям зна­чение регулируемой величины не зависит от величины возмущающего воздействия. Значение регулируемой величины остается постоянным, равным заданному.

В системах, статических по отношению к управляющим воздей­ствиям, постоянным значениям этого воздействия соответствует по­стоянная ошибка системы, величина которой зависит от величины управляющего воздействия.

В астатических системах по отношению к управляющему воз­действию после окончания переходного процесса ошибка равна нулю.

Для пояснения всего сказанного выше на рис. 5 при­ведены кривые процессов в статической и астатической системах по отношению к возмущающему f(t) и управляющему g(t) воздей­ствиям.

Линейные и нелинейные системы автоматического регулирования

Системы автоматического регулирования подразделяют на линейные и нелинейные в зави­симости от того, какую математическую модель выбирают при их исследовании (являются ли линейными или нелинейными диф­ференциальные, интегральные, дифференциально-разностные уравнения, которые применяют при их математическом описа­нии).

Линейные и нелинейные системы подразделяют на следующие три класса: непрерывные, дискретные и дискретно-непрерывные. Непрерывные системы описываются дифференциальными уравне­ниями; дискретные–дифференциально-разностными, а дискретно-непрерывные – обоими видами уравнений. Каждый из этих трех классов подразделяют на подклассы:

стационарные системы с сосредоточенными параметрами;

– стационарные системы с сосредоточенными и распределенными параметрами;

– нестационарные, или переменные, системы с сосредоточенными параметрами;

– нестационарные, или переменные, системы, с сосредоточенными нераспределенными параметрами.

Кроме того, системы (или их математические модели) каждого из классов и подклассов могут быть подразделены на детерминирован­ные или статистические.

Математическую модель системы называют детерминированной, если приложенные к ней воздействия и параметры модели являются постоянными или детерминированными функциями переменных со­стояния и времени. Математическую модель системы называют ста­тистической, если приложенные к ней воздействия и параметры модели являются случайными функциями или случайными величи­нами.

В зависимости от прохождения и характера сигналов си­стемы автоматического регулирования могут подразделяться на непрерывные и дискретные, или прерывистые.

Если в процессе регулирования структура всех связей в системе остается неизменной, то такая система является системой непре­рывного регулирования. Сигналы на выходе элементов такой си­стемы являются непрерывными функциями воздействий и времени. Между элементами на входе и выходе системы существует непре­рывная функциональная связь.

Системы прерывистого регулирования отличаются тем, что в них через дискретные промежутки времени происходит размыкание или замыкание цепи воздействий.

Системы прерывистого действия подразделяют на импульсные и релейные. В импульсных системах размыкание цепи воздействий производится принудительно и периодически специальным преры­вающим устройством. В течение передачи импульсов процессы в этих системах протекают так же, как и в непрерывных САР. Импульсные системы содержат импульсные элементы и осуществляют квантова­ние сигнала по времени. В системах релейного действия размыкание или замыкание цепи воздействия производится одним из элементов системы при непрерывном значении входного воздействия. Размы­кание или замыкание осуществляется с помощью реле или элемента, имеющего релейную характеристику. Реле срабатывает при опреде­ленном значении воздействия на его чувствительный орган.