Системы автоматического регулирования

Управление, сопровождающееся непрерывным контролем, называют регулированием, а параметр, которым необходимо управлять, т. е. регулировать, — регулируемой величиной. Напри­мер, если уровень жидкости в закалочном баке снижается, то необходимо увеличивать подачу воды в бак до тех пор, пока уровень не достигнет заданного значения. В данном примере уровень жидкости является регулируемой величиной, а закалоч­ный бак, в котором регулируется уровень, —объектом регулиро­вания. Следовательно, операция поддержания равенства регу­лируемой величины ее заданному значению является регулирова­нием. Регулирование может осуществляться вручную и авто­матически.

Рассмотрим принцип работы лабораторной нагревательной печи, подключенной к электросети через автотрансформатор. Пусть для измерения температуры в печи установлен термо­электрический преобразователь (термопара), подключенный к мил­ливольтметру. Лаборант, наблюдая за показаниями милливольт­метра, регулирует напряжение на нагревательных элементах печи. Если температура в печи оказывается ниже заданной, он увеличивает напряжение на нагревательных элементах, отчего температура повышается; и наоборот, если температура повы­шается, то лаборант уменьшает напряжение на нагревательных , элементах. Таким образом, лаборант, изменяя напряжение на нагревательных элементах, регулирует температуру. Такое регу­лирование называют ручным регулированием. I Для автоматизации процесса регулирования необходимо, чтобы какое-либо устройство непрерывно или периодически измеряло значение регулируемой величины, сравнивало с заданным зна­чением и в случае несоответствия с помощью регулирующего органа корректировало технологический процесс, поддерживая заданное значение регулируемой величины. Такое регулирование, в котором управление осуществляется различными устройствами без вмешательства человека, называют автоматическим регулированием, а совокупность устройств, состоящих из измерите-льного элемента (первичного преобразователя), исполнительго механизма и регулирующего органа, называют автоматическим регулятором.

Система автоматического регулирования (рис. 1) представ­ит собой совокупность отдельных элементов, направленно действующих друг на друга. В сравнивающем устройстве происходит сравнение текущего значения регулируемой величины X, которое поступает по главной обратной связи, с ее заданным значением XQ.

Рис. 1, Схема системы автоматического регулирования

В цепи главной обратной связи имеется инвертор, изменя­ющий знак сигнала X. В случае неравенства величин, поступа­ющих на сравнивающее устройство, т. е. в случае рассогласова­ния, на выходе задающего устройства появляется сигнал АХ = = Хо — X, пропорциональный рассогласованию. Этот сигнал подается на вход регулятора. В регуляторе сигнал АХ преобра­зуется и усиливается по мощности до уровня, необходимого дли управления исполнительным устройством. Исполнительное уст­ройство в свою очередь воздействует на объект регулирования. При этом регулируемая величина X в результате регулирующего воздействия Y изменяется в сторону уменьшения отклонения АХ.

Рассмотрим несколько подробнее основные элементы системы автоматического регулирования.

Для установления текущего значения регулируемой вели­чины X в системе имеются специальные элементы получения ин­формации, которые называются измерительными элементами. Основная функция измерительного элемента — измерение регули­руемой величины (температуры, давления, запыленности и т. п.) и ее преобразование в электрический, пневматический или ги­дравлический сигналы, удобные для подачи последующим эле­ментам системы. Измерительными элементами, как правило, являются первичные преобразователи аналогового или дискрет­ного действия.

Сигналы задающих органов (органов настройки), как и выход­ные величины измерительных элементов, могут иметь различную физическую природу. В связи с этим задающие органы могут быть электрическими, механическими, пневматическими и т. п. В элек­трических регуляторах, где выходным является электрический сигнал, задающие органы выполняются в виде резисторов, рео­статов или потенциометров» В механических, гидравлических и пневматических регуляторах задающие органы выполняются в виде винтов, пружин или неподвижных опор.

Элементы сравнения могут иметь различные схемы, определяе­мые природой сравниваемых сигналов. Например, при сравнении электрических сигналов используются такие элементы, как рези­сторы, конденсаторы и другие элементы, а при сравнении меха-

нических величин — рычажные устройства. Заметим, что сигнал рассогласования характеризуется не только величиной, но и знаком.

В большинстве регуляторов сигнал рассогласования обладает небольшой мощностью, и поэтому его усиливают до значения, позволяющего управлять или приводить в действие исполнитель­ный механизм.

Усиление сигнала, осуществляемое в усилительных элементах, Достигается изменением потока вспомогательной энергии, поступающей от усилителя к исполнительному механизму в соответствии со знаком и значением рассогласования.

Элементы автоматических устройств, использующие информацию о сигнале рассогласования (исполнительные элементы), предназначены для оказания регулирующего воздействия на объект регулирования с целью уменьшить рассогласования между текущими и заданными значениями регулируемой величины. В одних случаях это приводит к изменению потока энергии или топлива к регулируемому объекту (печи), в других —к измене-нию потока жидкости (закалочные баки), пара, воздуха, газа т. п. Исполнительные элементы состоят из исполнительных механизмов и регулирующих органов.

Для улучшения характера переходных процессов системы втоматического регулирования и повышения качества регулирования в систему регулирования могут вводиться стабилизирую­щие элементы (дополнительная обратная связь). Введение этих Элементов обусловлено тем, что регулируемая величина обычно не сразу достигает заданного значения, и, если не принимать специальных мер, регулирование затягивается, сопровождаясь колебаниями регулируемой величины относительно заданного значения. В отличие от главной обратной связи, которая свя­зывает регулируемую величину с задающим устройством, допол­нительные обратные связи передают воздействия с выхода какого-либо звена системы автоматического регулирования на вход лю­бого предыдущего звена. Сигнал дополнительной обратной связи, подаваемый на вход, может либо складываться с входным сигна­лом (положительная дополнительная обратная связь), либо вычи­таться из входного сигнала (отрицательная дополнительная обратная связь). В системах автоматического регулирования чаще всего используют отрицательную дополнительную связь.

В зависимости от характера эоздействия дополнительная обратная связь подразделяется на жесткую и гибкую. Жесткая дополнительная обратная связь характеризуется передачей по ней на вход части полной выходной величины на протяжении всего времени регулирования.

Гибкая (упругая) дополнительная обратная связь (изодром) характеризуется передачей по ней на вход первой или второй производной от измерения выходной величины по времени. У гиб­кой дополнительной обратной связи сигнал на выходе суще-

ствует только тогда, когда сигнал изменяется во времени. Таки образом, гибкая дополнительная обратная связь позволяет ос ществлять регулирование входной величины по скорости иуск< рению и тем самым значительно ускоряет процесс регулирован! и улучшает его качество. Гибкая обратная связь начинает дей ствовать только при изменении выходной величины, и ее действие прекращается после возвращения системы кустановившемуt состоянию. В связи с этим иногда ее называют исчезающей обратной связью.

Системы автоматического регулирования могут основываться на трех принципах: регулирования по отклонению, регулировния по возмущению и комбинированном принципе регулирования, когда совмещаются принципы регулирования по отклонению и возмущению.

Принцип регулирования по отклонениюзаключается втом, что процесс регулирования осуществляется по значению регулируемой величины, которое сравнивается с заданным ее значением. При наличии сигнала рассогласования регулятор воздействует на объект, чтобы привести к равновесию регулируемую изаданные величины

Принцип регулирования по возмущениюсостоит втом, что из нескольких возмущений,, воздействующих на объект, выбира­ется одно и определяется его влияние на регулируемую величину. Возмущение воздействует с помощью управляющего устройства на регулирующий орган объекта управления. В системах регу­лирования по возмущению вместо измерения рассогласования в измерительном элементе регулятора измеряется возмущение. Недостатком подобной системы является то, что она компенси­рует влияние только одного основного возмущения и не может предотвратить влияние на регулируемую величину других воз­мущающих воздействий, чаще всего неконтролируемых.

Комбинированные системысочетают в себе оба рассмотренных принципа.

Системы автоматического регулирования классифицируются по разным признакам.

По виду применяемой энергии -— электрические, пневматиче­ские, гидравлическиеи механические.

По виду структуры — обыкновенныеи самонастраивающиеся.

По виду функциональной связи между входными и выходными величинами элементов, входящих в системы автоматического регулирования, последние делят на системы непрерывногои пре­рывистого действия.В системах непрерывного действия непре­рывному изменению входных величин всех элементов соответ­ствует непрерывное изменение выходных величин этих элементов.

Системы автоматического регулирования относятся к систе­мам прерывистого (дискретного) действия, если непрерывному изменению входной величины хотя бы одного элемента, входящего в состав системы, соответствует прерывистое изменение выходной величины этого элемента.