1.6. Энергетический аспект управления

Хотя переменные — входы и выходы элементов систем управления в теории управления рассматриваются как носители информации, не следует забывать, что исполнение принятого в управляющем устройстве решения об оказании управляющего воздействия на объект связано с энергетическими (материальными, финансовыми и т. д.) затратами, иногда значительными.

Для оказания управляющего воздействия может использоваться энергия самого управляемого процесса, отбираемая через измерительный элемент. В этом случае говорят о прямом регулировании. Широко распространены поплавковые регуляторы уровня прямого действия, например, для карбюраторов автомобильных двигателей (рис.1.17). Здесь поплавок с клапаном одновременно осуществляет три операции: измерение отклонения уровня, принятие решения об оказании управляющего воздействия и исполнение решения.

Рис. 1.17. Система регулирования прямого действия

Следует заметить, что приведенный пример системы прямого регулирования реализуют принцип отрицательной обратной связи. Повышение уровня жидкости — увеличение управляемой переменной приводит к уменьшению эффективного сечения клапана , и наоборот, что иллюстрируется на примерном графике (рис. 1.18). Для малых вариаций переменных зависимость управляющего воздействия от отклонения уровня можно приближенно описать в виде

,

где — угол наклона касательной к статической характеристике клапана в заданной точке.

Рис. 1.18. Примерный вид графика зависимости сечения клапана от уровня

Аналогичный принцип регулирования уровня воды в паровом котле паровой машины реализовал русский механик И. И. Ползунов. Английский механик Дж. Уатт (J. Watt) построил систему прямого действия с центробежным датчиком для автоматического регулирования частоты вращения вала паровой машины.

Построение систем регулирования прямого действия связано с изменением технологии процесса и конструкции объекта, иными словами, с мероприятиями “внутреннего” характера по отношению к объекту. Достоинством систем прямого регулирования является простота и надежность. Они, как правило, органично вписываются в конструкцию управляемых объектов, не требуя посторонних источников энергии. Недостатком этих систем является невысокая точность при необходимости обеспечивать большие усилия для перемещения управляющих органов. Например, при стабилизации уровня жидкости в большом резервуаре с помощью регулятора прямого действия пришлось бы сильно увеличивать объем поплавка. Для точного регулирования частоты вращения паровой машины большой мощности, пар в которую подается через регулирующий клапан с большим усилием перестановки штока, необходимо увеличивать вращающиеся массы центробежного датчика. Это означает увеличение инерционности системы, приводящей к ухудшению качества переходных процессов вплоть до потери устойчивости системы.

Для повышения точности управления объектами, требующими значительных энергетических затрат на управление, следует разделить функции измерительных и исполнительных элементов систем управления, иначе говоря, функции информационного, алгоритмического и энергетического характера.

В системах непрямого действия для оказания управляющего воздействия на объект привлекается дополнительный источник энергии. На рис. 1.19 изображена принципиальная схема такой системы для стабилизации уровня жидкости. Измеритель уровня — поплавок имеет небольшие размеры, так как перемещение подвижного контакта потенциометра П не требует больших усилий. Напряжение u, пропорциональное отклонению уровня от заданного, усиливается в усилителе У и приводит во вращение двигатель Д. Двигатель через редуктор Р перемещает клапан на трубопроводе притока жидкости. Как усилитель, так и обмотка возбуждения двигателя потребляют электроэнергию дополнительного источника.

Рис. 1.19. Система регулирования уровня непрямого действия

Можно увидеть на этом примере, что построение системы управления связано с мероприятиями “внешнего” по отношению к объекту, притом, не только энергетического, но, прежде всего, информационно-алгоритмического характера.

Достоинством систем непрямого управления является более высокая точность. Недостатком — большая сложность и стоимость, необходимость дополнительных источников энергии, меньшая надежность.

По виду используемой для управления энергии различают электрические, механические, гидравлические, пневматические, электрогидравлические и другие системы автоматического управления.