Класифікація автоматичних систем

1.3.1Класифікація САР за призначенням

В техніці використовуються велика кількість різноманітних автоматичних пристроїв та систем, що відрізняються між собою фізичною природою, принципом дії, схемними і технічними реалізаціями. Всі ці пристрої та системи як правило призначені для розв’язання декількох основних задач автоматизації.

Системи автоматичної сигналізації призначені для повідомлення обслуговуючому персоналу про стан технічної установки, або про протікання тех-

нологічного процесу.

Системи автоматичної блокіровки та захисту призначені для запобігання аварійних ситуацій в технічних агрегатах та установках.

Системи автоматичного пуску і зупинки забезпечують вмикання і вимикання різних агрегатів та установок по заданій програмі.

Системи автоматичного управління призначені для управління різних агрегатів і протікання різних процесів без участі людини.

Управління в широкому розумінні слова – це організація якого-будь процесу, що забезпечує досягнення поставленої цілі. Рух транспортного засобу є прикладом управляємого процесу. Ціль управління при цьому заключається в досягненні заданого кінцевого пункту в заданий час з найменшими затратами енергоресурсів.

Системи автоматичного регулювання розв’язують задачу регулювання параметрів тих або інших технічних агрегатів. Теорія автоматичного регулювання є одним із розділів теорії автоматичного управління.

В залежності від способу формування управляючого діяння розрізняють такі принципи регулювання: принцип регулювання по збурюючому діянню, принцип управління по відхиленню регульованої величини і принцип комбінованого регулювання.

1.3.2 Класифікація САР по способу діяння на об’єкт регулювання.

По способу дії керуючого діяння на об’єкт регулювання системи автоматичного регулювання діляться на системи прямої і непрямої дії. В системах прямої дії вимірювальний елемент безпосередньо діє на регулюємий орган за рахунок власної енергії. Додаткові джерела енергії для переміщення регулюючого органа в таких системах відсутні. Прикладом систем прямої дії є регулятор рівня води в котлі парової машини, запропонований І.І. Ползуновим, і центробіжний регулятор Джеймса Уатта для регулювання обертів вала парової машини. В регуляторі Ползунова поплавок, що є вимірювальним елементом, через систему важілів безпосередню діє на клапан трубопроводу. В регуляторі Д.Уатта переміщення регулюючого органа здійснюється під дією центробіжної сили (грузиков ?).

Достоінством систем прямого регулювання є їх простота так як проміжні підсилювальня елементи у них відсутні. В той же час точність роботи систем прямого регулювання порівняно невелика, що обмежує область їх застосування об’єктами невеликої потужності, в яких непотрібно великих зусиль для дії на регулюємий орган. Пояснюється це тим, що точність роботи чутливого елемента різко знижується, коли із їх виходу знімається значна потужність.

Системи напрямого регулювання в своєму складі мають пристої, що підсилюють потужність сигнала похибки. Такими пристроями являються спеціальні пневматичні, гідравлічні, електричні, електронні і др. підсилювачі. Ефект підсилення сигнала по потужності досягається за рахунок введення в склад системи автоматичного регулювання додаткових джерел енергії, для живлення підсилювалих елементів. В результаті сигнал похибки лише керує передачею енергії от додаткових джерел енергії до регулюючого органа. В результаті цього, системи непрямого регулювання дозволяють використовувати восокоточні малопотужні вимірувальні елементи для керування роботою об’єктів великої потужності. Ускладнення систем автоматичного регулювання в порівнянні із системами прямого регулювання настільки компенсується значним підвищенням точності, що значна більшість сучасних САР є системами непрямого регулювання.

1.3.2 Класифікація САР по величіни похибки.

Якість роботи системи автоматичного регулювання характеризується величиною похибки. Граничне значення до якого прямує похибка в часі, нази-

вається усталеною похибкою САР

(1.4)

В залежності від величини усталеної похибки, системи автоматичного регулювання поділяють на статичні і астатичні. Статична система – система в якій усталена похибка при постійному зовнішньому збуренні відмінна від нуля. Наприклад, для системи на рис. 1.5, що має в своєму складі ланку з коєфіцієнтом підсилення К, усталена похибка визначається виразом

(1.5)

при x(t)=const.

Із (1.5) витікає, що величина усталеної похибки залежить від контурного коефіцієнта підсилення, який в даному випадку дорівнює К. Змінами коефіцієнта підсилення можна зменьшувати або збільшувати усталену величину похибки, але завжди для кінцевої величини К

(1.6)

Астатична система по відношенню до зовнішнього діяння – система в якій усталена похибка, викликана цим діянням (збуренням)

(1.7)

Приведені визначення показують, що поняття статизму і астатизму пов’язані з розглідом усталеного режиму САР і завжди відносяться до конкретного зовнішнього діяння. При цьому часто для спрощення всі другі діяння умовно прирівнюють нулю.

Покажемо, наприклад, що система регулювання яка показана на рис.1.1 є статичною по відношенню до величини рівня води h в котлі парової машини. Відхилення рівня води викликає похибку

. (1.8)

Знак Dh(t) залежить від того зменьшується чи збільшується рівень води h(t) відносно заданого h_о.

Для ліквідації похибки Dh поплавок повинен розвинути зусиллч необхідне для переміщення клапана вхідного трубопроводу. Величина цього зусилля залежить від сил опору, що діють в системі. Але незалежно від цих сил, переміщення поплавка пропорційно переміщенню поплавка. Тобто, регулюючий орган може займати нове положення тільки при похибці регулювання, що в (1.8) не дорівнює нулю. З цього витікає висновик , що системи прямиї дії є статичними системами відносно зовнішніх діянь. Фізична сутність винекнення в таких системах статичної похибки полягає в тому, що для компенсації зовнішнього збурення необхідна зміна положення регулюючого органа, що можливо лише при виконанні умови (1.6).

Приведений аналіз появи статичної похибки дає можливість зробити висновок про те, що для її ліквідації необхідно змінити закон зміни положення регулюючого органа. Досягається це, наприклад, заміною пропорційного зв’язку між похибкою Dе(t) і регулюючим діянням q(t) на інтегральний зв’язк.

Слід зазначити, що наявність статичної похибки не є причиною відмови від практичного застосування статичних систем. У правильно спроектованій системі статична похибка може бути дуже малою. Крім того, питання точності роботи САР в усталеному режимі не вичерпують всієї проблеми теорії і практики регульування.

1.3.3 Класифікація САР по характеру керуючого діяння.

В залежності від закону зміни вхідного діяння х(t) всі системи автоматичного регулювання ділять на системи стабілізації, програмного регулювання і слідкуючі системи.

Системи стабілізації призначені для підтримки незмінності регульованої величини y(t). В таких системах вхідне діяння

(1.9)

Прикладами таких систем э регулятори І.І. Ползунова і Д.Уатта. На рис.1.6 приведена електрична схема системи стабілізації вихідної напруги генератора постійного струму G.

Обмотка збудження LE генератора живиться від джерела постійної напруги U_o. Струм збудження I_o регулюється зміною опору резистора R. Вихідна напруга генератора U_г подоється на вхід 1 регулятора Р на вхід 2 якого подано вхідне діяння U_з=const. Вхідне діяння U_з визначає величину вихідної напруги U_г генератора. До виходу регулятора Р підключено двигун постійного струму М. Вал статора двигуна механічно з’єднано з рухомим контактом резистора R.

Стабілізація напруги генератора здійснюється в наступному порядку. Зменьшення опору навантаження Z_н викликає збільшення струму I_н і зменьшення напруги U_г відносно установленої величини. Регулятор Р, порівнюючи U_г і U_з визначає величину і знак похибки

DU_г=U_з-U_г . (1.10)

Згідно з похибкою (1.10) регулятор формує напругу U_д, що подається на двигун М. Двигун, переміщуючи рухомий контакт резистора R, змінює струм збудження генератора. Зміною величини струму збудження компенсується відхилення напруги генератора віз заданої величини. Так, при зменьшенні Z_н система регулювання викликає збільшення струму збудження і як наслідок збільшення U_г. При збільшенні Z_н, що викликає підвищення вихідної напруги генератора, система регулювання зменьшує струм збудження. Точність стабілізації вихідної напруги генератора та поведінка системи в перехідних режимах визначається властивостями регулятора.

Системи програмного регулювання призначені для зміни регульованої величини y(t) по відомому закону в функції часу або якоїсь другої величини. В таких системах вхідне діяння є наперед визначеною функцією часу

, (1.11)

або якоїсь другої величини

. (1.12)

Системи в яких вхідне діяння змінюється згідно з (1.11), (1.12) часто називають системами з програмним регулюванням. Програми типу (1.11) називають часовими, а програми типу (1.12) – параметричними. Параметричні програми можуть залежати від однієї або декількох величин - m₁, m₂, m₃,…m_n. В такому випадку вхідне діяння є визначеною функцією декількох змінних

. (1.13)

Прикладом часової програми є зміна обертів потужного електродвигуна в процесі запуску. Типова програма розгону потудного двигуна приведена на рис. 1.7. Плавний закон наростання обертів дозволяє зменьшити небезпечні електромеханічні перевантаження, що значно подовшує довговічність двигуна.

Задача програмного регулювання вирішується так же як і задача стабілізації – за дапомогою систем автоматичного регулювання, що функціюють по замкнутому циклу (дивись рис.1.4). Основна відмінність систем програмного регулювання від системи стабілізації полягають в тому, що в системах програмного регулювання головною задачею є відтворення заданої програми з визначеною точністю. Конструктивно системи прграмного регулювання відрізняються від систем стабілізациї наявністю задаючого елемента, що формує закон зміни ( програму) вхідного діяння. В реальних системах задаючий задаючий елемент являє собою механічний або електричний пристрій. Наібільш високу точність завдання програми дають електричні функціональні перетворювачі дискретного типу, в яких програма записується в вигляді цифрового коду.

Слідкуючі системи призначені для зміни регулюємої величини y(t) по наперед невизначеному закону. В таких системах вхідне діяння х(t) є випадковою функцією часу.

В залежності від фізичної природи регульованої величини y(t) розпізнають слідкуючі системи відтворення кутових переміщень, швидкості обертання, момента, змін струму та напруги.

1.3.4. Класифікація по характеру передаваємих сигналів.

Роботу любої системи автоматичного регулювання сопроводжується перетворенням сигналів при їх передачі між елементами САР. В залежності від характера передаваємих сигналів системи автоматичного регулювання розрізняють як неперервні, імпульсні та та релейні системи.

В неперервній системі між вхідними і вихідними величинами всіх елементів існує неперервний функціональний зв’язок. Вихідна величина y_i(t) кожного і-го елемента такої системи в кожний момент часу визначається вхідною величиною х_i(t). Статична характеристика елемента неперервної системи, що визначає зв’язок між його вхідною і вихідною величинами, являє собою неперервну функцію. Так згідно з рис.1.8, вхідному сигналу х_і для моментів часу t₁ і t₂ відпо-відають вихідні сигнали y₁(t), y₂(t). Прикладами систем непе-рервної дії є системи, що приведені на рис. 1.5.і рис.1.6.

В неперервних системах передача сигналів виконується за допомогою модуляції. Під модуляцією розуміють зміну якогось параметра несучого сигнала по закону інформаційного (передаваємого) сигнала. Пристрій, що здійснює модуляцію називається модулятором (дивись рис.1.9). Най-більш поширеним є модулятор, що має два входи. На один іх входів якого подають інформаційний сигнал х_і, а на другий – несучий сигнал х_н, що грає роль переносника інформації. Вихідний сигнал модулятора у є функцією вхідних сигналів, вид якої залежить від типа модулятора.

В неперервних системах в якості несучого використовують постійний або гармонійний сигнал. Цим сигналом відповідають системи автоматичного регулювання постійного або змінного струмів. В системах постійного струму х_н=const. В системах змінного струму

, (1.14)

де U- амплітуда, w - кругова частота, j - початкова фаза несучого сигналу.

Кожний із трьох параметрів (U, w, j) може бути використано для передачі інформації про вхідний сигнал модулятора х_і. Якщо амплітуда U несучого сигнала є функцією вхідного сигнала х_і, то відбувається амплітудна модуляція, що ілюструється рис.1.10.

Коли в (1.14) w=w(х_і), то відбувається частотна модуляція (дивись рис.1.11). В цьому випадку частота вихідного ( несучого) сигнала модулятора w змінюється під дією зміни амплітуди вхідного сигнала х_і.

Якщо в (1.14) j=j(х_і), то відбувається фазова модуляція. Фазовий зсув вихідного сигнала j змінюється в функції зміни вхідного сигнала х_і модулятора. На рис.1.12 показано процес фазової модуляції. На інтервалі 0£t£t_o фазовий зсув вихідногосигнала у(t) відносно х_н(t) дорівнює j₁. Після зміни величини вхідного сигнала х_і(t) модулятора в момент часу t_о, фазовий зсув дорівнює j₂.

В практиці застосування неперевних систем автоматичного регулювання найбільш поширенними є системи з амплітудною гармонічною модуляцією.

Системи із дискретною модуляцією називаютиься дискретними системами регулювання. Такі системи мають в своєму складі хоча б один дискретний елемент (дискретний модулятор) вихідна величина якого змінюється дискретно при неперервнім вхіднім сигналі. Процес перетворення вхідного сигнала х_і(t) в дискретний у(t) називається квантуванням ( подрібленням).

Квантування по рівню відбувається шляхом фіксації дискретних рівнів в (произвольные) моменти часу. В результаті квантування неперервний вхідний сигнал перетворюється в ступінчато змінюєму функцію, що характеризується постійним рівнем квантування d (рис.1.13). Моменти квантування t_i залежать від зміни вхідного сигналу х_і(t).

Квантуванню в часі відповідає фіксація дискретних моментів згідно з рис.1.14. Неперервний вхідний сигнал х_і(t) перетворюється в послідовність імпульсів амплітуди яких дорівнюють миттєвим значенням х_і(t) в моменти квантування

(1.15)

Період квантування Т при цьому є постійною величиною.

В залежності від виду квантування вхідного сигнала дискретні елементи можуть бути розбиті на релейні та імпульсні.

Релейним елементом називається пристрій, що здійснює квантування вхідного сигнала по рівню. Вихідна величина такого елемента приймає фіксовані значення, що дорівнюють цілому чіслу кроків квантування по рівню d.

Імпульсним елементом (ІЕ) називається пристрій, що здійснює квантування вхідного сигнала в часі (рис.1.15,а). Вихідною величиною імпульсного елемента є послідовність імпульсів (рисю.1ю15,б) модульованих вхідним сигналом. При змінах вхідного сигнала х(t) модуляції може піддаватись любий із параметрів імпульсної послідовності: амплітуда А, період Т, відносна тривалість імпульса . В зв'зку із цим розрізняють:

- амплітудно-імпульсну модуляцію (АІМ), коли А=f(x), T=const, g=const;

- широтно-імпульсну модуляцію (ШІМ), коли g=f(x), A=const, T=const;

- частотно-імпульсну модуляцію (ЧІМ), коли Т=f(x), A=const,g=const.

Прикладом імпульсного елемента, що здійснює АІМ є переодично зами-каємий імпульсом управління t_u електронний ключ S (рис.1.16,а). В такому імпульсному елементі під час замкнутого стану ключа (g=const, T=const) вихідна напруга U₂ змінюється по закону вхідної величини U₁ (рис.1.16,б). В цьому випадку в системі діє амплітудно-імпульсна модуляція першого роду (АІМ-1).

Коли вихідна величина імпульсного елемента має вигляд імпульсів амплітуди яких не змінюється в функції вхідного сигнала, а дорівнює йому лише в тактові моменти то в системі здійснюється амплітуно-імпульсна модуляція другого роду (АІМ-2). Прикладом такого елемента є імпульсний елемент, показаний на рис.1.17,а, що складається із підсилювачів У1, У2, електронних

ключів S1, S2 та RC ланки. Електронний ключ S1 замикається в тактові моменти пТ на час t_u1 тривалість якого значно меньше тривалості тактового інтервала (рис.1.17,б). Електронний ключ S2 замикається в часовим зсувом gТ відносно тактових моментів. Час замкнутого стану ключа S2 дорівнює (1-g)Т. Під час замкнутого стану електронного ключа S1, вхідний сигнал U₁ в тактові моменти запам'ятовується на конденсаторі С. Після розмикання ключа S1 сигнал на конденсаторі остається незмінним до замикання ключа S2. В

результаті вихідний сигнал U2 має вигляд послідовності прямокутних імпулісів амплітуди яких дорівнюють миттєвим значенням вхідного сигнала U1 в тактові моменти часу.

Закони регулювання

Основною задачею любої системи автоматичного регулювання (рис.1.18) є виконання умови

(1.16)

із наперед заданою точністю. Чим точніше виконується умова (1.16) тим краща система автоматичного регулювання. Якість роботи системи автоматичного регулювання оцінюється (разностью)

(1.17)

між необхідним законом зміни регульованої величини x(t) і фактичним законом її зміни y(t). Функція Dе(t) визначає похибку система автоматичного регулювання. Чим менша величина Dе(t), тим краще система автоматичного регулювання. Для ідеальної системи Dе(t) =0. Система регулювання по похибці є системою з зворотним зв'язком. Так як , то система регулювання є системою з від'ємним зворотнім зв'язком.

Зменшення величини Dе(t) досягається застосуванням регулювання по похибці. Для цього спочатку визначають похибку, а потім в залежності від її величини і знака формують регулююче діяння на об'єкт регулювання, що зводить Dе(t) =0. При Dе(t) >0 регулююче діяння повинно збільшувати регульовану величину y(t), а при Dе(t)<0- зменшувати.

В загальному випадку для визначення регулюючого діяння на об'єкт регулювання використовуються чотири елемента (рис.1.19): задаючий, чутливий, порівнюючий та корегуючий пристрій (регулятор).

Задаючий елементслужить для формування вхідного діяння х(t). Коли х(t)=х(0) - постійна величина, задаючий елемент являє собою просто орган настроювання.

Чутливий елемент виміряє регульовану величину y(t).

Порівнюючий елемент - обчислюваний пристрій, що розраховує похибку Dе(t).

Корегуючий пристрій (регулятор) виконує функціональне перетворення сигнала похибки (підсилення, диференціювання, інтегрування і др.) для придання системі регулювання заданих якостей. На виході регулятора формується регулююче діяння m(t).