3 Характеристика элементов систем автоматического регулирования. Математическое описание систем автоматического регулирования

3.1 Краткая характеристика основных элементов систем управления

Объекты регулирования являются теми основными динамическими элементами систем, в которых с помощью регуляторов или следящих систем должны поддерживаться заданные режимы работы. К ним относятся различные машины и установки, управляемые регулирующими органами.

Объекты регулирования имеют самую различную физическую природу, и их поведение может быть описано несколькими методами: в виде принципиальных схем и блок-схем, дополненных словесным описанием; логическими зависимостями в булевой форме; экспериментально определенными кривыми и таблицами; математическими зависимостями в виде дифференциальных уравнений.

Методы описания объектов в виде дифференциальных и разностных уравнений позволяют получать обобщенные зависимости, характеризующие поведение объектов в статических и динамических режимах. Большое значение при описании объектов регулирования имеет принятая степень идеализации процессов, протекающих в объектах. Если динамика линейного объекта определяется конечным числом переменных, то его поведение отображается обыкновенными дифференциальными уравнениями. Если число переменных бесконечно велико – дифференциальными уравнениями в частных производных.

В теории автоматического регулирования применяют несколько способов составления уравнений динамики объектов регулирования:

• когда дифференциальные уравнения составляются аналитически на основе анализа физических процессов;

• с помощью экспериментально определенных статических характеристик объекта, представленных в виде графиков;

• по данным таблиц, полученных также экспериментальным путем, с последующей их обработкой методом регрессионного анализа;

• с использованием аналогового или цифрового моделирования.

В системах автоматического регулирования для получения необходимой информации о процессах регулирования используют различные измерительные устройства. Если для обеспечения процесса регулирования требуется высокая точность измерений или надо измерить несколько различных параметров, то применяют измерительные системы, состоящие из нескольких измерительных устройств.

Измерительные устройства содержат чувствительные элементы, реагирующие на перемещение, угловую скорость, давление, температуру, частоту, расход жидкости или газа и т. д. как правило, чувствительный элемент не только реагирует на отклонение регулируемой величины от установленного значения, но и преобразует ее к виду, удобному для дальнейшего использования.

Чувствительный элемент, в котором одновременно с измерением физическая величина преобразуется в другую форму, называют датчиком.

Измерительные устройства классифицируют по типу измеряемых и по типу измерительных величин (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 – Схема классификации измерительных устройств по типу измеряемых величин

Статическая характеристика измерительных устройств определяет функциональную связь между измеряемой величиной и выходным сигналом , т.е. . Весьма важной характеристикой измерительного устройства является чувствительность.

Под чувствительностью измерительного устройства понимают отношение приращения выходной величины к приращению измеряемой величины :

Динамическая характеристика измерительного устройства определяется временем протекания переходного процесса или частотой собственных колебаний и степенью демпфирования , или полосой пропускания по частоте .

Сигналы, полученные от чувствительных элементов или датчиков в большинстве случаев имеют недостаточную мощность, чтобы непосредственно привести в движение регулирующий орган. В связи с этим необходимо применение усилителей.

Усилительные элементы по виду используемой энергии можно разделить на электрические, гидравлические и пневматические. К усилителям, используемым в системах автоматического регулирования, предъявляют следующие основные требования:

• усилитель должен иметь требуемый коэффициент усиления по мощности и другим параметрам, если он является одновременно преобразователем;

• характеристика усилителя должна быть возможно ближе к линейной;

• зона нечувствительности усилителя не должна превышать допустимой величины;

• постоянная времени усилителя должна быть минимальна, и не превышать заданных пределов.

Преобразующие устройства выполняют самые различные функции в системах автоматического регулирования. Существуют преобразующие устройства четырех типов. В-первых из них осуществляется эквивалентное преобразование сигнала без изменения вида энергии и его физической природы; например, низкочастотный сигнал преобразуется в высокочастотный, (преобразователь называется модулятором) и наоборот (демодулятор). Во-вторых – при преобразовании непрерывного сигнала в квантованный по амплитуде происходит и его усиление (усилители – преобразователи, реле). В третьих - преобразующее устройство служит для согласования начальных измерительных устройств с непрерывными устройствами управления (преобразователи код-аналог). В четвертых – преобразующие устройства превращают непрерывный сигнал в дискретный (преобразователь аналог-код).

Характеризуются преобразующие устройства – точностью и быстродействием.

Исполнительные элементы являются одним из последних звеньев в системах автоматического регулирования и обычно используются для управления органами регулирования. В исполнительный элемент входят серводвигатель (механическая передача) и источник питания. В зависимости от серводвигателя исполнительные элементы делят на электрические, механические, гидравлические и пневматические.

Корректирующие устройства применяют в системах автоматического регулирования для получения требуемых показателей устойчивости, также показателей качества и точности процессов регулирования. Самое широкое распространение получили электрические корректирующие устройства. Их принято разделять на пассивные и активные. К пассивным относят такие, которые не содержат внутри себя источников энергии. Соответственно к активным относят устройства с внутренними источниками энергии.