Разновидности систем автоматического регулирования (САР) и систем автоматического управления (САУ)

I) По методу управления САР и САУ делятся на:

а) системы, не приспосабливающиеся к изменяющимся режимам работы объекта регулирования;

б) приспосабливающиеся системы, т.е. адаптивные.

Не приспосабливающиеся системы - это наиболее простые системы, которые не изменяют своей структуры и параметров в процессе управления. Для этих систем на основе информации существующей до начала их работы выбирают структуру и рассчитывают параметры, обеспечивающие заданные свойства системе для типовых и наиболее вероятных условий ее работы. Этот класс систем включает в себя три типа:

1). Стабилизирующие системы – обеспечивают поддержание регулируемой величины на постоянном заданном значении. Например: система автоматического регулирования, поддерживающая заданное значение расхода воздуха на дутье доменной печи.

2). Программные системы – обеспечивают изменение регулируемой величины во времени по заранее заданной программе. Например: система автоматического регулирования, обеспечивающая изменение расхода воздуха по ходу продувки в конвертере.

3). Следящие системы – обеспечивающие изменение регулируемой величины в заданном соотношении с управляющим воздействием, которое изменяется произвольным образом, не зависящим от данной системы. Например: система автоматического регулирования соотношения топливо – воздух при управлении сжиганием топлива в мартеновской печи.

Большинство систем, действующих в настоящее время, относится к не приспосабливающимся системам. Их структура и настройка определяется при проектировании и наладке и в дальнейшем автоматически не изменяется. При необходимости перенастройка системы может осуществляться вручную.

Приспосабливающиеся системы – это такие системы, в которых параметры управляющих устройств или алгоритмы управления автоматически и целенаправленно изменяются для осуществления управления объектом, причем характеристики объектаили внешнее воздействие на него могут изменяться непредвиденным образом. Адаптивная система способна изменить свою структуру, параметры или программу действий в процессе управления. Один из примеров адаптивной системы – экстремальные системы, которые автоматически ищут экстремум регулируемой величины, а так как его положение изменяется в процессе работы объекта, система автоматически изменяет направление поиска, скорость поиска и т.д. Примером экстремальной системы является САР температуры в печи, отапливаемой газом. Требуется обеспечить максимальную температуру в печи, т.е. экстремум регулируемой величины при любых расходах топлива и изменении других параметров работы печи. Значение температуры печи – выходной величины объекта управления при данном топливе будут зависеть от расхода воздуха – входной величины объекта. Если воздуха мало, то топливо сгорает не полностью и температура в печи меньше заданной. Если воздуха в печи много, то топливо сгорает полностью, но требуется тепло на нагрев избыточного воздуха, ненужного на сжигание топлива, и температура в печи также меньше необходимой. Если расход воздуха близок к теоретически необходимому для сжигания топлива, достигается максимальная температура в печи. Адаптивные системы реализуются с использованием ЭВМ и, следовательно, их следует отнести к АСУТП работающим в режиме непосредственного цифрового управления. Для работы ЭВМ необходимо наличие аналитического описания объекта, т.е. его математической модели и алгоритмов адаптации и управления.

II) По характеру использования информации САР и САУ делятся на:

а) разомкнутые системы;

б) замкнутые системы;

в) комбинированные системы.

Разомкнутые системы не используют рабочую информацию о регулируемых величинах т.к. отсутствует обратная связь. Работа таких систем основана на информации о входных величинах. Разомкнутые системы делятся на:

1) системы с жесткой программой.

2) системы с регулированием или управлением по возмущению.

Примером системы с жесткой программой служит система автоматического пуска и останова комплекса механизмов, в котором должна выдерживаться определенная последовательность работы отдельных механизмов Рис.2.1.

OP

P

Y(τ) X(τ)

Рис. 2.1. Структурная схема разомкнутой САР с жёсткой программой.

На вход регулятора поступает определенная программа действий Х₀(t). Регулятор, являющийся устройством, реализующим заданную программу, вырабатывает регулирующее воздействие Y(t) обеспечивающее необходимое изменение Х(t). В металлургии примерами разомкнутых систем являются: система автоматического управления загрузкой доменной печи, система автоматического переключения клапанов мартеновской печи.

Разомкнутые системы с регулированием по возмущениюиспользуют информацию о входных величинах – возмущениях и принимают меры, чтобы указанные возмущения не оказывали влияние на выходную величину, т.е. как бы компенсируют их. Поэтому их называются инвариантными или системами с компенсацией возмущений. Рассмотрим структуру разомкнутой системы автоматического регулирования температуры в печи Рис 2.2.

Рис.2.2 Разомкнутая система автоматического регулирования температуры

Регулируемой величиной является температура Т в печи. Технология требует изменения температуры в печи по заданной программе, в частном случае требуется поддержание постоянной температуры. Для этого надо реостатом регулировать напряжение на нагревательном элементе НЭ. Подобная часть объекта управления (ОУ), с помощью которой можно изменять параметры управляемого процесса, называется управляющим органомобъекта (УО). Это может быть реостат, вентиль, заслонка и т.д. Управляющий орган изменяет свое состояние под воздействием управляющего устройства (УУ).

Часть объекта управления, которая преобразует управляемую величину в пропорциональную ей величину, удобную для использования в САУ, называют чувствительным элементом(ЧЭ). Физическую величину на выходе ЧЭ называютвыходной величиной ОУ. Как правило, это электрический сигнал (ток, напряжение) или механическое перемещение. В качестве чувствительного элемента могут использоваться термопары, тахометры, рычаги, электрические мосты, датчики давления, деформации, положения и т.д. В нашем случае это термопара, на выходе которой формируется напряжение, пропорциональное температуре в печи, подаваемое на измерительный прибор (ИП) для контроля. Физическую величину на входе управляющего органа ОУ называютвходной величиной ОУ.

Но информация, передаваемая термопарой, не используется системой регулирования, т.е. отсутствует обратная связь по результатам работы системы. Контур компенсации возмущения разомкнут, т.е. выходная величина контура не оказывает влияния на входную величину – напряжение на реостате.

Рассмотренную САУ нагревательной печи можно изобразить функциональной схемой Рис.2.3. В данной схеме заложен принцип разомкнутого управления, сущность которого состоит в том, что программа управления жестко задана ЗУ; управление не учитывает влияние возмущений на параметры процесса.

Рис.2.3. Функциональная схема САУ нагревательной печи

В любой системе всегда имеются возмущения, в том числе случайные и не контролируемые, которые могут вызвать отклонение регулируемой величины от заданного значения, поэтому на практике часто используют принцип компенсации. Пусть y_о - значение выходной величины, которое требуется обеспечить согласно программе, Рис.2.4. На самом деле из-за возмущения f на выходе регистрируется значение y. Величина ε = y_о - y называется отклонением от заданной величины. Если каким-то образом удается измерить величину f, то можно откорректировать управляющее воздействие u на входе объекта управления ОУ, суммируя сигнал управляющего устройства (УУ)

Рис.2.4 Система управления с компенсацией.

с корректирующим воздействием,пропорциональным возмущению fи компенсирующим его влияние. Примеры систем компенсации: биметаллический маятник в часах, компенсационная обмотка машины постоянного тока и т.д. На Рис.2.4 в цепи нагревательного элемента НЭ стоит термосопротивлениеR_t, величина которого меняется в зависимости от колебаний температуры окружающей среды, корректируя напряжение на нагревательном элементе.

Достоинство принципа компенсации: быстрота реакции на возмущения. Он более точен, чем принцип разомкнутого управления. Недостаток: невозможность учета подобным образом всех возможных возмущений. Приведенный пример показывает, что возможна компенсация определенного контролируемого возмущения. Если таких возмущений несколько, то для компенсации каждого из них необходим свой контур.

Принцип обратной связи

Рис.2.5 Система управления с обратной связью

Наибольшее распространение в технике получил принцип обратной связи,Рис.2.5. Здесь управляющее воздействие корректируется в зависимости от выходной величины y(t). Не важно, какие возмущения действуют на объект управления. Если значение y(t) отклоняется от требуемого, то происходит корректировка сигнала u(t) с целью уменьшения данного отклонения. Связь выхода объекта управления с его входом называется главнойобратной связью (ОС).

Рис.2.6 Система управления с обратной связью

В частном случае (Рис.2.6) задающее устройство (ЗУ) формирует требуемое значение выходной величины y_о(t), которое сравнивается с действительным значением на выходе САУ y(t). Отклонение ε = y_о-y с выхода сравнивающего устройства подается на вход регулятораР, объединяющего в себе чувствительный элемент, управляющий органобъектаи управляющее устройство. Если ε 0, то регулятор формирует управляющее воздействие u(t), действующее до тех пор, пока не обеспечится равенство ε = 0, или y = y_о. Так как на регулятор подается разность сигналов, то такая обратная связь называется отрицательной, в отличие от положительной обратной связи, когда сигналыскладываются.

Замкнутые системы для своей работы используют текущую рабочую информацию о выходных величинах, определяют отклонение регулируемой величины от заданного значения и принимают меры для устранения этого отклонения.

Такое управление функцией отклонения называется регулированием, а подобную САУ называют системой автоматического регулирования (САР). На Рис.2.7изображена упрощенная схема САР хлебопекарной печи. Роль задающего устройства здесь выполняет потенциометр, напряжение на котором Uз сравнивается с напряжением на термопаре Uт. Их разность U через усилитель подается на исполнительный двигатель ИД, регулирующий через редуктор положение движка реостата в цепи НЭ. Наличие усилителя говорит о том, что данная САР является системой непрямого регулирования, так как энергия для функций управления берется от посторонних источников питания, в отличие от систем прямого регулирования, в которых энергия берется непосредственно от ОУ, как, например, в САР уровня воды в баке Рис.2.8. Недостатком принципа обратной связи является инерционность системы. Поэтому часто применяют комбинацию данного принципа с принципом компенсации, что позволяет объединить достоинства обоих принципов: быстроту реакции на возмущение принципа компенсации и точность регулирования независимо от природы возмущений принципа обратной связи.

Рис.2.7. Схема автоматического регулирования Рис.2.8 Регулирование уровня воды в баке

печи